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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ausbilden einer Katalysatorschicht auf einem Substrat (einer
Elektrolytmembran oder einer Gasdiffusionsschicht) einer Membran-Elektrodenanordnung,
die in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und betrifft speziell
eine Polymer-Festkörper-Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Eine
Polymer-Festkörper-Brennstoffzelle
umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) mit einer Elektrolytmembran
(enthaltend eine Ionenaustauscher-Membran) und mit Katalysatorschichten
und Gasdiffusionsschichten, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran
angeordnet sind, mit einem Separator, der auf der MEA auflaminiert
ist, und ähnliches.
Die Katalysatorschichten können
auf einer Elektrolytmembran zuerst oder auf Gasdiffusionsschichten
zuerst ausgebildet werden. In dem ersteren Fall werden auf Katalysatorschichten,
die auf einer Elektrolytmembran ausgebildet worden sind, die als
ein Substrat dient, Gasdiffusionsschichten unter Anwendung von Hitze
und Druck auflaminiert, so dass eine MEA erhalten wird. In dem letzteren
Fall werden Gasdiffusionsschichten in einer solchen Weise laminiert,
dass die Katalysatorschichten, die auf den Gasdiffusionsschichten
ausgebildet worden sind, beiden Seiten einer Elektrolytmembran gegenüberliegen,
so dass eine MEA erhalten wird.
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Eine
Katalysatorschicht enthält
Elektrodenpulver (Katalysatorabstütz-Leiter) wie beispielsweise
platingestützter
Kohlenstoff. Wie oben beschrieben ist, wird eine Katalysatorschicht
mit einem Verfahren ausgebildet, wobei Elektrodenpulver auf einer
Elektrolytmembran aufgebracht wird oder eine Gasdiffusionsschicht,
die als ein Substrat dient. Als ein Beispiel eines solchen Verfahrens,
welches in herkömmlicher
Weise ausgeführt wurde,
sei die sogenannte Feucht-Anwendung erwähnt, bei der eine Elektrodentinte
auf ein Substrat aufgetragen wird, und zwar durch Siebdruck, Plattierungstechnik,
Rollenbeschichtung, Aufsprühen
oder ähnliches.
Es wurde kürzlich
ein Verfahren ins Leben gerufen, welches für ein Trockenverfahren geeignet
ist, um das Elektrodenpulver zu einer Elektrolytmembran oder einer
Gasdiffusionsschicht hin zu verteilen, die als ein Substrat dienen,
und zwar unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft oder der
Strömung
eines Gases (Trägergas) für eine direkte
Adhäsion
des Pulvers.
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Die
JP-Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 2003-163011 A offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen Produktion
von MEAs mit Hilfe eines Trockenverfahrens unter Verwendung der
elektrostatischen Kraft. Bei einem solchen Verfahren wird Elektrodenpulver
auf eine Trommel in einem vorbestimmten Muster aufgebracht, die
elektrisch geladen wird, und das Elektrodenpulver wird dann auf
eine kontinuierlich zugeführte
Elektrolytmembran unter Anwendung der elektrostatischen Kraft übertragen,
um eine Fixierung durch Hitze und Druck zu erreichen. Die
JP-Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 2002-367616 A offenbart eine Technik, bei der
platinunterstützter
Kohlenstoff, der als Elektrodenpulver dient, elektrisch geladen
wird, der Kohlenstoff dann die Möglichkeit
erhält,
sich auf einer Rolle zu sammeln, wobei er einer Musterbildung unterworfen
wird, und zwar über
eine Steuer-Rakel, welche das übertragene
Muster steuert, und zwar zum Zwecke der Übertragung und Fixierung des
Kohlenstoffes auf einer Elektrolytmembran, so dass eine MEA erhalten
wird.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben große Erfahrung in Verbindung
mit der Erzeugung von MEAs mit Hilfe des zuvor beschriebenen Trockenverfahrens.
Bei einem solchen Produktionsprozess haben die hier angesprochenen
Erfinder eine Verschlechterung in der Produktherstellungs-Genauigkeit
festgestellt, wenn das übertragene
Muster eine komplizierte Gestalt hat. Dies ergab sich aufgrund einer
Schwankung in der Dicke oder eines Zusammenfallens der Außenlinie
des Musters auf einer Katalysatorschicht, die mit dem Elektrodenpulver
gebildet wurde, welches auf eine Elektrolytmembran oder eine Gasdiffusionsschicht übertragen
wurde, die als ein Substrat diente. Solche Probleme können in
einem gewissen Ausmaß gelöst werden, indem
man die angelegte Spannung erhöht.
Jedoch darf das elektrische Feld nicht auf 3 kV/mm oder mehr eingestellt
werden, bei welchem Wert ein dielektrischer Durchschlag erfolgt.
Darüber
hinaus kann das Fließen eines
großen
Stromes in dem Elektrodenpulver eine Entzündung verursachen.
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Bei
einem Verfahren, welches in der
JP-Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 2002-367616
A beschrieben ist, werden Vielfach-Ringelektroden angeordnet,
um ein Loch zu umgeben, welches an einer Steuer-Rakel (control blade)
ausgebildet ist, und es wird eine Elektrodenpulver-Dispersion exklusiv über ein
Loch ausgetragen, bei dem ein positives Potential angelegt ist,
und nicht über
ein Loch, an welchem ein negatives Potential angelegt ist, so dass
es möglich
wird zu spezifizieren, an welchem Teil einer Elektrolytmembran das
Elektrodenpulver anhaftet. Es wurde somit festgestellt, dass eine
Katalysatorschicht mit einer im Wesentlichen einheitlichen Dicke
gebildet werden kann. Es ist jedoch möglich, eine Steuer-Rakel (control
blade) auszubilden, die eine solche komplizierte Struktur hat, dies
ist jedoch nicht praktisch, da eine solche Rakel die Kosten eines Gerätes und
auch die Kosten für
die erforderliche komplizierte Wartung erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die oben beschriebenen
Umstände
entwickelt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Ausbildung einer Edel-Katalysatorschicht
zu schaffen, bei dem bzw. bei der eine Schwankung der Dicke und
ein Zusammenfallen der Außenlinie
auf einer solchen Katalysatorschicht extrem reduziert werden können, die
auf ein Substrat mit Hilfe einer elektrostatischen Kraft übertragen
wird, und zwar unter Verwendung eines in herkömmlicher Weise angewendeten
maschenförmigen
Schirmes oder Siebes, so dass eine MEA mit einer hohen Produktherstellungs-Genauigkeit
erhalten werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Um
die zuvor angesprochenen Probleme zu lösen, haben die Erfinder der
vorliegenden Erfindung umfangreiche Experimente hinsichtlich eines
MEA-Herstellungsverfahrens durchgeführt, und zwar auf der Grundlage
eines Trockenverfahrens unter Anwendung einer elektrostatischen
Kraft. Insbesondere werden die Aufgaben durch ein Verfahren nach
Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Als ein Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden,
dass in Bezug auf die Elektrodenpulverdispersion, die im Wesentlichen
lediglich durch die elektrostatische Kraft auftritt, die aufgebrachte
oder geladene Elektrizitätsmenge
unzureichend ist, und zwar bei einer Bewegung des Elektrodenpulvers
von einer Rolle, an welcher das Elektrodenpulver anhaftet, zu einem
Substrat hin (im Folgenden gibt die Bezeichnung „Substrat” sowohl eine Elektrolytmembran
als auch eine Gasdiffusionsschicht bei der vorliegenden Erfindung
an), so dass Probleme entstehen, wie beispielsweise eine Schwankung
in der Dicke und ein Zusammenfallen der Außenlinie, wie dies oben beschrieben
wurde. Wenn eine Extrudierkraft in Bezug auf ein Substrat aufgebracht
wurde, und zwar auf das elektrisch geladene Elektrodenpulver auf
einem Schirm oder einem Gitter unter Verwendung eines elastischen
Körpers, wurde
ein hoher Wert an Einheitlichkeit in der Dicke erzielt, und zwar über das übertragene
Muster hinweg, und ein Zusammenfallen der Außenlinie desselben wurde dabei
nicht beobachtet.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf den vorangehend erläuterten
Feststellungen, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung
gewonnen wurden. Grundsätzlich
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung
einer Katalysatorschicht, indem Elektrodenpulver die Möglichkeit
erhält, über eine
elektrostatische Kraft an einem Substrat anzuhaften, welches eine
MEA darstellt. Das Verfahren umfasst wenigstens einen Schritt, bei
dem ein Schirm oder ein Gitter in einen Zustand gemäß keinem
Kontakt mit einem Substrat angeordnet wird; dann eine Spannung zwischen
dem Schirm oder dem Gitter und dem Substrat angelegt wird, um das
Elektrodenpulver elektrisch zu laden, welches zu dem Schirm oder
zu dem Gitter zugeführt
wird; woraufhin dann das Elektrodenpulver durch einen elastischen
Körper
verpresst wird; und das Elektrodenpulver zu dem Substrat hin verteilt
wird, so dass es mit Hilfe von sowohl der elektrostatischen Kraft
als auch der Extrudierkraft des elastischen Körpers darauf anhaftet. Das
Elektrodenpulver wurde in einer gewünschten Gestalt mit Hilfe eines
Trockenverfahrens aufgebracht und wird auf einem Substrat durch
Hitze und Druck fixiert, so dass das Substrat mit einer Katalysatorschicht,
welche die gewünschte
Form oder Muster aufweist, erhalten wird.
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Gemäß dem Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung des Elektrodenpulvers
von dem Schirm oder von dem Gitter zu einem Substrat mit Hilfe von
sowohl der elektrostatischen Kraft als auch der Extrudierkraft durchgeführt, so
dass das gewünschte
Beschichtungsmuster selbst dann erhalten werden kann, wenn eine
niedrige Spannung angelegt wird. In bevorzugter Weise liegt die
Spannung zwischen einem Substrat und dem Schirm oder dem Gitter
angenähert
bei 0 kV bis 10 kV, und der Abstand dazwischen liegt bei 1 mm bis
20 mm. Noch bevorzugter liegt diese Spannung und der Abstand in
angemessener spezifischer Weise bei 1 kV und 5 kV bzw. zwischen
1 mm und 10 mm unter der Bedingung eines elektrischen Feldes gemäß einem
dielektrischen Durchschlag in Luft von 3 kV/mm oder weniger.
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Wie
anhand der folgenden Beispiele noch aufgezeigt wird, wird dann,
wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird und
eine Schwankung der Dicke einer Beschichtungsschicht im Wesentlichen
nicht mehr vorhanden ist, die Außenlinie des Musters desselben
dadurch definiert, indem der Abstand zwischen einem Substrat und
einem Schirm oder einem Gitter reduziert wird, und es wird der Elektrodenpulver-Ausstoß verbessert.
Zusätzlich
ist es von Vorteil, dass ein in herkömmlicher Weise verwendeter
maschenförmiger
Schirm oder maschenförmiges
Gitter so, wie dieser oder wie dieses ist, verwendet wird.
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Ein
Prozess, der bei einer weiteren spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, besteht aus einem
Prozess, bei dem Elektrodenpulver zu einem Substrat hin verteilt
wird, so dass dieses daran anhaftet, und zwar unter Verwendung einer
Zuführrolle,
die aus einem elastischen Material hergestellt ist, welches als
ein elastischer Körper
dient, wie oben angegeben. Der Prozess umfasst einen Schritt gemäß einer
Zufuhr von Elektrodenpulver zu einer Zuführrolle und einen Schritt,
bei dem die Zuführrolle,
auf welcher das Elektrodenpulver anhaftet, die Möglichkeit erhält zu rollen,
während
sie gegen den Schirm oder das Gitter gepresst wird. Bei dieser Ausführungsform
kann die gewünschte
Beschichtung rein dadurch vervollständigt werden, indem man die
Zuführrolle über den
Schirm rollen läßt, so dass
der Produktionsprozess vereinfacht wird. Bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhält
das Elektrodenpulver die Möglichkeit,
sich durch eine Corona-Entladung, Reibung oder ähnliches elektrisch aufzuladen, so
dass das Elektrodenpulver an einer Zuführrolle in einer gewissen Weise
anhaftet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausbildung
einer Katalysatorschicht auf einem Substrat, welche in bevorzugter
Weise das zuvor erläuterte
Herstellungsverfahren ausführen
kann. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gerät zur Ausbildung
einer Katalysatorschicht, indem es dem Elektrodenpulver ermöglicht wird, über eine
elektrostatische Kraft an einem Substrat anzuhaften, welches eine
MEA darstellt. Die Vorrichtung umfasst wenigstens Folgendes: eine
Einrichtung zum Festhalten eines Schirmes oder eines Gitters in
einem Nichtkontaktierungszustand mit dem Substrat, eine Einrichtung
zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Schirm oder dem Gitter und
dem Substrat; eine Einrichtung zum Zuführen von Elektrodenpulver zu
dem Schirm; und eine Einrichtung zum Pressen des Elektrodenpulvers,
das zu dem Schirm zugeführt
wird, zu dem Substrat hin. Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet,
dass das Elektrodenpulver zu dem Substrat hin verteilt wird, so
dass es sowohl über
eine elektrostatische Kraft als auch über eine Extrudierkraft eines
elastischen Körpers
daran anhaftet.
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In
bevorzugter Weise umfasst die zuvor genannte Vorrichtung einen Trichter,
in welchem das Elektrodenpulver aufgenommen ist, und eine Zuführrolle,
die auf einer Auslaßseite
des Trichters installiert ist. Die Zuführrolle kann in Kontakt mit
dem Schirm oder dem Gitter durch Druck rollen. Die Zuführrolle
bildet eine Einrichtung zum Zuführen
des Elektrodenpulvers zu dem Schirm und eine Einrichtung zum Pressen
des Elektrodenpulvers, welches auf den Schirm zugeführt wurde,
zu dem Substrat hin. Das Elektrodenpulver, welches in dem Trichter
gesammelt wurde und auch auf der Zuführrolle, kann zu jeder Zeit
miteinander in Kontakt treten. Auch können diese in einem Nichtkontaktierungszustand
miteinander angeordnet werden, so dass das Elektrodenpulver, welches
in dem Trichter gesammelt ist, auf die Zuführrolle fällt. In bevorzugter Weise umfasst
die Vorrichtung ein Einrichtung, durch die das Elektrodenpulver,
welches in dem Trichter gesammelt ist, elektrisch durch eine Corona-Entladung aufgeladen
wird, durch Reibung aufgeladen wird oder ähnliches, so dass das Elektrodenpulver
an der Zuführrolle
in einer sichereren Art anhaften kann. Zusätzlich kann bei der Ausführungsform,
bei der das Elektrodenpulver auf die Zuführrolle fällt, eine Schwankung in der
Beschichtungsdicke aufgrund einer Aggregation des fallenden elektrisch
geladenen Elektrodenpulvers auftreten. Somit wird das Elektrodenpulver
nicht notwendigerweise elektrisch geladen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann eine Elektrolytmembran oder eine
Gasdiffusionsschicht, die als ein Substrat dient, verwendet werden
und besteht aus einer Elektrolytmembran mit einem willkürlichen
Ionenaustauscherharz oder aus einer Gasdiffusionsschicht, die nach
der Produktion von MEAs verwendet wird, und zwar in einer herkömmlichen
Polymerfestkörper-Brennstoffzelle.
Das darauf aufgetragene Elektrodenpulver, welches in einer angemessenen
Weise verwendet werden kann, besteht aus einem katalysatorgestützten Leiter,
wie beispielsweise aus platingestütztem Kohlenstoff. Ferner enthalten
Beispiele eines elastischen Körpers, speziell
eines elastischen Körpers,
welcher eine Zuführrolle
bildet, die verwendet werden kann, Polyethylen, Polyurethan, Polyethylen
oder Polyurethan, dem ein treibendes Agens hinzugefügt wurde,
oder einen Klebstoff, welchem ein treibendes Agens hinzugegeben
wurde.
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Wenn
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Katalysatorschicht auf einem Substrat ausgebildet
wird, welches eine MEA bildet, kann eine Katalysatorschicht, die
ein gewünschtes
Muster mit einer definierten Außenlinie
besitzt, auch ohne Schwankung der Dicke gebildet werden, und zwar
mit Hilfe einer Beschichtung bei einer niedrigen angelegten Spannung.
Demzufolge wird auch die Sicherheit bei der Produktion und der Elektrodenpulver-Ausstoß verbessert,
was auch für
die Produktherstellungs-Genauigkeit gilt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm, welches eine Ausführungsform einer Vorrichtung
darstellt, die in bevorzugter Weise ein Verfahren durchführen kann,
um eine Katalysatorschicht auf einem Substrat auszubilden, welches
eine MEA gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm, welches eine andere Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wiedergibt.
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Die beste Art, die Erfindung durchzuführen
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die Zeichnungen
erläutert,
und zwar auf der Grundlage einer Ausführungsform zur Ausbildung einer
Katalysatorschicht auf einer Elektrolytmembran, die als ein Substrat
dient. Zur Ausbildung einer Katalysatorschicht auf einer Gasdiffusionsschicht
kann die Katalysatorschicht in einer im Wesentlichen ähnlichen
Weise ausgebildet werden, ausgenommen dass eine Gasdiffusionsschicht
verwendet wird, die als ein Substrat dient, anstelle einer Elektrolytmembran. 1 zeigt ein
schematisches Diagramm, welches eine Ausführungsform einer Vorrichtung
wiedergibt, die in bevorzugter Weise zur Durchführung des Produktionsverfahrens
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 2 zeigt
ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung.
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Eine
Vorrichtung A umfasst eine Abwickelrolle 1 (unwinding roller),
die ein aufgewickeltes Substrat hält (Elektrolytmembran) 2,
und ein Aufwickelrolle 3, welche das Substrat 2 aufwickelt,
auf welchem das Elektrodenpulver 10 angehaftet wurde und
fixiert wurde. Eine Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) ermöglicht es,
dass die Abwickelrolle 1 und die Aufwickelrolle 3 synchron
gedreht werden, so dass das Substrat 2 durch die Aufwickelrolle 3 mit
einer konstanten Geschwindigkeit oder Drehzahl aufgewickelt wird.
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Zwischen
der Abwickelrolle 1 und der Aufwickelrolle 3 ist
ein Abstützmaterial 4 angeordnet,
um das Substrat 2 bei seiner Bewegung von hinten her abzustützen. In
einem gewissen Abstand (z. B. angenähert 10 mm) von dem Abstützmaterial 4 befindet
sich ein maschenförmiger
Schirm oder ein maschenförmiges
Gitter 5 und wird durch eine geeignete Halterungseinrichtung
in Lage gehalten, und zwar in einer Position parallel zu dem Abstützmaterial 4.
Der Schirm 5 wird durch eine Antriebseinrichtung (nicht
gezeigt) um eine bestimmte Strecke in der gleichen Richtung und
auch in einer damit synchronen Geschwindigkeit bewegt, in welcher
sich das Substrat 1 darunter in Bewegung befindet. Danach
kehrt der Schirm oder das Gitter 5 zu seiner Ursprungslage
zurück.
Ein Muster, welches das gleiche Muster ist wie dasjenige, welches
für die
Beschichtung des Substrats 2 mit dem Elektrodenpulver 10 verwendet
wird (Adhäsion
des Pulvers) (d. h. das Muster einer MEA-Katalysatorschicht), wird
auf dem Schirm 5 unter Verwendung eines Maschengitters
(z. B. 200 mesh) ausgebildet. Ein leitendes Material, wie beispielsweise
nicht-rostender Stahl, oder ein isolierendes Material aus einem
Harz, wie beispielsweise Nylon, wird für den Schirm oder das Gitter 5 verwendet.
In dem Pfad der Bewegung des Substrats 2, stromabwärts von
dem Schirm oder von dem Gitter 5, ist eine Thermokompressions-Bindeeinrichtung 8,
wie beispielsweise eine Heizrolle installiert, um das Elektrodenpulver 10,
welches auf das Substrat 2 aufgebracht wurden ist, zu fixieren.
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Über dem
Sieb 5 ist der Trichter 6 gelegen. Der Trichter 6 ist
mit dem Elektrodenpulver 10 gefüllt. Zusätzlich ist an der Außenseite
des Trichters 6 eine Zuführrolle 7 angeordnet,
die aus einem elastischen Körper gebildet
ist, in einer Position, so dass das Zentrum der Drehachse derselben
orthogonal in der Richtung der Bewegung des Substrats 2 gelegen
ist. Bei diesem Beispiel besteht das Material der Zuführrolle 7 aus
Polyethylen; es kann jedoch auch Polyurethan oder ein Klebstoff
sein, dem ein treibendes Agens hinzugefügt wurde. Zusätzlich ermöglicht eine
Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) die Drehung der Zuführrolle 7.
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In
Bezug auf das Sieb 5 und die Zuführrolle 7 kann die
Zuführrolle 7 in
Berührung
mit der Oberfläche des
Siebes durch Drücken
gebracht werden. Das heißt,
die Zuführrolle
wird gegen die Oberfläche
des Siebes 5 gedrückt,
so dass die Fläche
des Siebes 5, die in Berührung mit der Zuführrolle 7 steht,
niedergedrückt
und verformt wird. Somit kann die Zuführrolle 7 teilweise
in die Maschen des Siebes 5 eindringen.
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Ferner
umfasst die Vorrichtung A eine Spannungsanlegeeinrichtung 20,
die eine Spannung von 0 kV bis 10 kV an das Sieb 5 anlegt,
so dass ein elektrisches Feld zwischen dem Substrat 2 und
dem Sieb 5 aufgebaut wird. Wenn es erforderlich ist, kann
eine Einrichtung für
eine Triboelektrifizierung (nicht gezeigt) unter Verwendung einer
Corona-Entladung, eines Rührwerks
oder ähn1ichem
angeordnet werden, um als eine Einrichtung für die elektrische Aufladung
des Elektrodenpulvers 10 zu dienen, welches in dem Trichter 6 aufgenommen
ist.
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Ferner
sind bei der Vorrichtung A, die in den Zeichnungen gezeigt ist,
der Trichter 6 und die Zuführrolle 7 in Nachbarschaft
zueinander angeordnet, und das Elektrodenmaterial 10 in
dem Trichter 6 befindet sich immer in Kontakt mit der Zuführrolle 7.
Andererseits kann der Trichter 6 und die Zuführrolle 7 voneinander
abliegend angeordnet sein, so dass das Elektrodenmaterial 10,
welches aus dem Trichter 6 herabfällt, durch die Zuführrolle 7 aufgenommen
wird. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Elektrodenpulver 10 in
einem solchen Fall elektrisch aufgeladen wird, eine Schwankung in
der Beschichtungsdicke erzeugt werden kann, und zwar aufgrund einer
Aggregation des herabfallenden Elektrodenpulvers. Daher ist es in
einigen Fällen
zu bevorzugen, dass das Pulver nicht elektrisch aufgeladen wird.
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Zur
Ausbildung einer Katalysatorschicht auf einer Elektrolytmembran,
die als Substrat 2 dient, wird die erforderliche Spannung
an das Sieb 5 durch die Spannungsanlegeeinrichtung 20 angelegt.
Der Trichter 6 wird mit dem Elektrodenpulver 10 gefüllt, und
das Pulver erhält
die Möglichkeit,
elektrisch geladen zu werden, wenn dies erforderlich ist. Die Aufwickelrolle 3 wird
angetrieben, um das Substrat 2 in Richtung der Pfeile mit
einer bestimmten Geschwindigkeit, wie beispielsweise 5 m/min. zu
bewegen. Synchron wird das Sieb 5 einer gewünschten
Musterung unterworfen und wird in der gleichen Richtung bewegt.
Zusätzlich
wird die Zuführrolle 7 in
Drehung versetzt.
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Das
Elektrodenpulver 10 in dem Trichter 6 wird aus
dem Trichter 6 ausgestoßen, wobei es auf der Oberfläche der
Zuführrolle 7 anhaftet.
Wenn die Zuführrolle 7 in
Berührung
mit der Oberfläche
des Siebes 5 unter Druck gelangt, wird das Elektrodenpulver 10 auf
das Sieb 5 gefördert
und wird elektrisch geladen. Ferner dreht sich die Zuführrolle 7,
und die Oberfläche
derselben dringt in das maschenförmige
Sieb 5 ein. Somit wird dann das Elektrodenpulver 10 durch
die Oberfläche
der Zuführrolle 7,
die einen elastischen Körper
darstellt, verpresst. Demzufolge wird zusätzlich zu der elektrostatischen
Kraft aufgrund der angelegten Spannung auch eine Extrudierkraft
zu dem Substrat 2 hin auf das Elektrodenpulver 10 aufgebracht.
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Das
Elektrodenpulver 10 kann aus dem Trichter 7 auf
das Sieb 5 während
der Drehung der Zuführrolle 7 fallen.
Auch in einem solchen Fall wird das Elektrodenpulver 10,
welches herabgefallen ist, durch die Zuführrolle 7 verpresst,
wenn das Pulver unter der Zuführrolle 7 hindurch
verläuft,
und zwar aufgrund der Bewegung des Siebes 5. Demzufolge
wird zusätzlich
zu der elektrostatischen Kraft aufgrund der angelegten Spannung eine
Extrudierkraft zu dem Substrat 2 hin auf das Elektrodenpulver 10 aufgebracht.
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Das
Elektrodenpulver 10 wird verteilt, so dass es auf dem Substrat 2 anhaftet,
und zwar sowohl über die
elektrostatische Kraft als auch die Extrudierkraft des elastischen
Körpers.
Das auf diese Weise anhaftende Elektrodenpulver 10 wird
dann stabilisiert, und zwar durch Fixieren des Substrats 2,
wenn das Pulver eine Wärmedruck-Bindeeinrichtung 8 passiert,
so dass eine Katalysatorschicht 10a ausgebildet wird. Das
Substrat 2 wird, wenn es sich in diesem Zustand befindet,
durch die Aufwickelrolle 3 aufgewickelt. Das Sieb 5 wird
in seine ursprüngliche
Position für
einen nachfolgenden Beschichtungsvorgang zurückgeführt, und zwar nach Beendigung
der Beschichtung eines einzelnen Blattes einer MEA mit dem Elektrodenpulver 10 (Adhäsion des
Pulvers). Zusätzlich
wird ein einzelnes Sieb 5 vorwärts und rückwärts bewegt, so dass es wiederholt
bei den Beispielen der Figuren verwendet werden kann; es können jedoch
auch eine Vielzahl von Sieben abwechselnd, im Turnus nacheinander,
verwendet werden. Eine solche Ausführungsform ist für eine kontinuierliche
Produktion zu bevorzugen.
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Wie
oben beschrieben ist, werden gemäß der vorliegenden
Erfindung die Dispersion und Adhäsion des
Elektrodenpulvers 10 an dem Substrat (Elektrolytmembran) 2 sowohl über eine
elektrostatische Kraft als auch über
eine Extrudierkraft ausgeführt,
so dass eine stabilisierte Dispersion und Adhäsion realisiert werden kann,
und zwar bei einer ausreichenden Sicherheit und niedrigen Spannung.
Daher wird die Dicke der zu formenden Katalysatorschicht konstant
ausgebildet und die Außenlinie
des Musters derselben wird definiert. Als ein Ergebnis wird die
Produktherstellungs-Genauigkeit verbessert. Da ferner das Pulver
zu dem Substrat hin durch eine starke Kraft dispergiert wird, kann
die Menge an Elektrodenpulver, die aufgrund einer übermäßigen Dispersion
vergeudet wird, reduziert werden, so dass der Ausstoß an Elektrodenpulver 10 verbessert
wird.
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Bei
der oben erläuterten
Vorrichtung A wird Elektrodenpulver 10 lediglich auf eine
Seite des Substrats 2 aufgebracht, um eine Katalysatorschicht
auszubilden. Jedoch erreicht die Vorrichtung, die in 2 gezeigt ist,
ein kontinuierliches Auftragen des Elektrodenpulvers 10 auf
beide Seiten einer Elektrolytmembran, die als Substrat 2 dient.
Hierbei wird eine Zuführrolle 3a anstellen
der Aufwickelrolle 3 der Vorrichtung A verwendet, die in 1 gezeigt
ist. Das Substrat 2, über
welchem das Elektrodenpulver 10 fixiert worden ist, um
eine Katalysatorschicht 10a zu bilden, und welches durch
die Zuführrolle 3a hindurch
verlaufen ist, wird umgekehrt, wenn es durch eine Zuführrolle 3b hindurch
verläuft.
Auf der anderen Seite des umgekehrten Substrats 2, auf welcher
noch keine Katalysatorschicht 10a ausgebildet wurde, wird
dann das Elektrodenpulver 10 aufgetragen und darauf fixiert,
und zwar unter Verwendung einer Vorrichtung Aa, welche die gleiche
ist wie die Vorrichtung A, welche in 1 gezeigt
ist. Demzufolge wird auch eine Katalysatorschicht 10b ausgebildet.
Das Substrat 2, auf dessen beide Seiten das Elektrodenpulver 10 fixiert
ist, und zwar in einem bestimmten Muster, um die Katalysatorschichten 10a und 10b zu
bilden, wird durch die Aufwickelrolle 3 der Vorrichtung
Aa aufgewickelt.
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Beispiele
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Hinweis auf ein nachfolgendes
Beispiel und ein Vergleichsbeispiel erläutert.
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[Beispiel]
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Es
wurde eine Beschichtung unter Verwendung der Vorrichtung durchgeführt, welche
in 1 gezeigt ist. Das Elektrodenpulver enthielt 50
Gew.% platingestützten
Kohlenstoff (50 Gew.% Pt/C: Elektrolytharz = 2:1). Die gewünschte Menge
der Platinbeschichtung wurde auf 0,5 mg/cm2 festgelegt.
Die Bedingungen der Vorrichtungen waren wie folgt: angelegte Spannung
zwischen dem Sieb und dem Substrat: 3 kV; Abstand zwischen dem Sieb
und dem Substrat: 10 mm; Siebmaschen: 200 mesh; und Substrat-Zuführgeschwindigkeit:
5 m/min. Das Sieb war aus nicht-rostendem Stahl hergestellt. Eine
Zuführrolle
wurde in Kontakt mit dem Sieb gebracht, und zwar unter Druck (gesamter
aufgebrachter Druck auf das Sieb durch die Zuführrolle in Ausdrücken des
Gewichts: 100 g Gewicht bis 1 kg Gewicht).
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[Vergleichsbeispiel]
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Wie
im Beispiel des Falles 1 wurde ein Beschichtungstest durchgeführt, und
zwar unter Verwendung einer Zuführrolle,
die aus einem harten, nicht elastischen Körper hergestellt worden war.
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[Vergleich]
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Die
Schwankung in der Beschichtungsdicke und der Unterschied zwischen
der gewünschten
Menge der Beschichtung und der tatsächlichen Menge der Beschichtung
wurden in Bezug auf die Katalysatorschichten bestimmt, die auf Elektrolytmembranen
ausgebildet worden waren, die bei dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel
erhalten wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Im
Falle einer Zuführrolle,
die aus einem harten Körper
hergestellt war, wurde es aufgrund des Fehlens einer Extrudierkraft
für das
Elektrodenpulver erforderlich, die Menge an Pulver zu erhöhen, die
zugeführt
werden mußte,
indem die Zahl der Umdrehungen der Zuführrolle erhöht wurde, um die gewünschte Menge
der Beschichtung sicherzustellen. Der Materialausstoß bei dem
zuvor erwähnten
Fall nahm ab, und zwar verglichen mit dem Fall von Beispiel 1. Ferner
verursachte das Pulver, welches in den Siebmaschen zurückgeblieben
war, eine Maschenverstopfung. Tabelle 1
| | Beispiel | Vergleichsbeispiel |
| Prozentsatz
der Menge der Beschichtung (verglichen mit der gewünschten
Menge) | ±10% oder
weniger | ±20% |
| Schwankung
der Beschichtungsdicke | Keine
Beobachtung | Signifikantes
Auftreten |
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Wie
in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurde eine beschichtete Membran mit
einer einheitlichen Dicke bei dem Beispiel erhalten, so dass die Überlegenheit
des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung demonstriert werden
kann.