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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betriff 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 Kataly satorschicht
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. 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 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 Gitter in einen Zustand gemäß keinem
Kontakt mit einem Substrat angeordnet wird; dann eine Spannung zwischen
dem Schirm oder Gitter und dem Substrat angelegt wird, um das Elektrodenpulver
elektrisch zu laden, welches zu dem Schirm oder Gitter zugeführt wird;
woraufhin dann das Elektrodenpulver durch einen elastischen Körper verpreßt wird;
und das Elektro denpulver 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 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 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 Gitter reduziert wird, und es wird der Elektrodenpulver-Ausstoß verbessert.
Zusätzlich
ist es von Vorteil, daß ein
in herkömmlicher
Weise verwendeter maschenförmiger Schirm
oder Gitter so, wie dieser 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 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 Gitters in einem
Nichtkontaktierungszustand mit dem Substrat, eine Einrichtung zum
Anlegen einer Spannung zwischen dem Schirm oder 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 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, Polyäthylen, Polyurethan, Polyäthylen 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 nach der Ausbildung
einer Katalysatorschicht auf einer Elektrolytmembran, die als ein
Substrat dient. Nach der 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 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 Gitter 5 zu seiner Ursprungslage
zurück.
Ein Muster, welches das gleich 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
SUS, oder ein isolierendes Material aus einem Harz, wie beispielsweise
Nylon, wird für
den Schirm oder Gitter 5 verwendet. In dem Pfad der Bewegung
des Substrats 2, stromabwärts von dem Schirm oder 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
Polyäthylen;
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 ähnlichem
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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Nach
der 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 Membran
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 0,5mg/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: 5m/min.
Das Sieb war aus rostfreiem 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.
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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.
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Zusammenfassung
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Verfahren
und Vorrichtung zur Ausbildung einer Katalysatorschicht auf einem
Substrat, welches eine Membran-Elektrodenanordnung bildet Bei einer
Vorrichtung A, bei der Elektrodenpulver 10 die Möglichkeit
erhält,
mit Hilfe einer elektrostatischen Kraft an einer Elektrolytmembran
anzuhaften, die als ein Substrat 2 dient, um dadurch eine
Katalysatorschicht zu bilden, wird ein Sieb 5 in einem
berührungsfreien
Zustand in bezug auf das Substrat 2 gehalten, und es wird
dazwischen eine Spannung angelegt. Das Elektrodenpulver 10 wird
dazu gebracht, an einer elastischen Zuführrolle 7 anzuhaften,
wobei die Zuführrolle 7 in
Drehung versetzt wird, wobei sie in Berührung mit dem Sieb 5 unter
Druck gehalten wird. Das Elektrodenpulver 10 wird zu dem
Substrat 2 hin dispergiert, um auf diesem stabil anzuhaften,
und zwar mit Hilfe von sowohl der elektrostatischen Kraft als auch
der Extrudierkraft des elastischen Körpers.
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Eine
Schwankung der Dicke und ein Zusammenfallen der Außenlinie
werden in bezug auf die Katalysatorschicht ausgeprägt reduziert,
die auf das Substrat übertragen
und auf diesem ausgebildet werden soll (Elektrolytmembran), und
zwar unter Verwendung der elektrostatischen Kraft und Verwendung
eines in herkömmlicher
Weise verwendeten maschenförmigen
Siebes, um dadurch eine Membran-Elektrodenanordnung mit einer hohen
Produktherstellungs-Genauigkeit zu erhalten.