JP2004281152A - 電極製造装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電極製造装置100は電解質膜10が矢印50の方向に向かって、第1工程100a、第2工程100b、第3工程100cの順に送られ電極製造処理される。第3工程100cでは、電解質膜10上の白金触媒20は加熱定着手段である加熱ローラ60によって、電解質膜10に加熱定着され、電極が形成される。電解質溶液30がない状態では、電解質膜10が溶融して、白金触媒20と電解質膜10を結着するが、電解質溶液30を用いた場合と比較して包含するように結着することができない場合がある。しかし、電解質溶液30があれば、加熱ローラ60による加熱定着によって半乾燥した電解質溶液30が溶融し、白金触媒20を包含するようにして白金触媒20と電解質膜10が結着される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電極製造装置および方法、特に電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布して形成される電極を製造する電極製造装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電解質膜、カーボンなどの電極構成体表面に電極触媒や撥水ペーストなどの電極材料を付着させ、形成される電極が知られている。このような電極を用いている電池の1つとして、固体高分子型燃料電池が挙げられる。
【0003】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードとからなる膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane−Electrode Assembly)と、アノード、カソードに燃料ガス(水素:H2)および酸化ガス(酸素:O2、通常は空気)を供給するための流体流路を形成するセパレータとを複数重ねてセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル(電極版)、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート)にて固定したスタックからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素が水素イオンと電子に解離する反応(H2→2H++2e)が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子から水を生成する反応(2H++2e+(1/2)O2→H2O)が行われる。
アノード、カソードは上記反応を活性化させるための触媒を表面に有し、この触媒の層を触媒層と呼んでいる。この触媒層とセパレータとの間には拡散層(一般的にカーボンペーパ、カーボンクロスなどからなる膜)が設けられる。触媒層は、それぞれ1〜10μm程度の厚さで、電解質膜あるいは拡散層などの表面に塗布されている。
拡散層などの多孔質導電性電極基材や電解質膜上に、触媒層を形成し、電極を製造する方法を報告したものとして、下記特許文献1や特許文献2がある。
【0004】
特許文献1では、窒素ガスなどのキャリアガスを用いて摩擦帯電させた電極触媒粉末をチャンバー中に送り、電解質膜に付着させて電極を形成する方法が報告されている。また、特許文献2では、白金触媒を担持したカーボンをキャリアガスに混ぜて電解質膜中に衝突させて電極を製造する方法が報告されている。
【0005】
粉体の触媒を電解質膜中に塗布する方法は、溶剤による塗布方法と比較して、その電解質膜の表面に多くの空孔を残すことができる。この空孔が多くなると燃料電池に使用した場合、燃料ガスの通り道が広くなって燃料電池の出力性能が高められる特徴や、排水性をよくするので、フラッディングを防止できるという特徴が知られている。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−288728号公報
【特許文献2】
特開2000−3714号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1では、チャンバー内で浮遊している触媒粒子の一部が、主にその触媒自身の摩擦耐電によって付着する方式のため、触媒粒子を電解質膜に付着させる際、時間がかかる場合や付着しても付着強度が弱い場合がある。
【0007】
また、特許文献2に記載されている方法では、白金触媒を担持したカーボンをキャリアガスに混ぜて電解質膜中に衝突させて電極を製造しているが、カーボンが電解質膜に侵入して電解質膜と触媒が付着している構造を主としているので、その付着強度が弱い場合がある。
【0008】
したがって、燃料電池に使用しているうちに、経時的に電解質膜から触媒がはがれ、燃料電池の出力性能が低下してしまう場合がある。また、はがれた触媒は異物となってガスの流路を防ぐ場合がある。
【0009】
本発明は上記課題等を鑑みてなされたものであり、電極構成体表面に粉体の電極材料をより確実に結着させるなどより精度の高い電極を製造する電極製造装置および方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題等を解決するために電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布し、形成される電極を製造する本発明の電極製造装置は、不燃性または難燃性液体を含んだ電解質溶液と、前記電極材料の塗布前に、前記電解質溶液を前記電極構成体表面に塗布する電解質溶液塗布手段と、前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布する電極材料塗布手段と、前記電極材料を前記電極構成体表面に加熱定着させる加熱定着手段と、を有し、前記加熱定着される際、前記電解質溶液が前記電極材料と前記電極構成体を結着させること、を特徴とする。
【0011】
このような構成とすることで以下のような利点もある。加熱定着の際、電解質溶液が粉体の電極材料を強固に結着させる。よって、電極の使用中に粉体の電極材料が電極構成体表面からはがれ落ちることを防止できる。また、導電性がある電解質溶液で電極構成体と電極材料を結着できるので、有機系の結着剤による電気抵抗の増大も防止できる。また、加熱定着時等に有機系の結着剤では発火しやすい場合があるが、水などの不燃性または難燃性の液体を含有させた電解質溶液によって発火を防止することもできる。
【0012】
また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極材料塗布手段が静電複写によって前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布するものであってもよい。静電複写方式では発火しやすい場合があり、発火等を防止できる。
【0013】
また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極の製造が不燃性ガス雰囲気中で製造されていてもよい。不燃性ガス雰囲気中であれば発火をさらに防止できる。
【0014】
また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極構成体が固体高分子型燃料電池における電解質膜または拡散層を形成する膜であってもよい。また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極材料がカーボンに白金触媒を担持させた白金触媒または撥水ペーストであってもよい。
【0015】
また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極材料が前記電解質溶液の固形物を表面に被覆させたものであってもよい。また、上記本発明の電極製造装置は、前記電極材料が前記電解質溶液の固形物が含まれていてもよい。このように電極材料自体にも電解質溶液の固形物を含有させておくと、加熱定着の際、電極材料と電解質膜の接合が電解質溶液とその固形物の両方の結着作用によってなされるので、さらに強固に電極材料を結着できる場合がある。
【0016】
また、上記本発明の電極製造装置は、前記電解質溶液が導電性固体材料を含んでいてもよい。導電性固体材料を電解質溶液中に含ませることで加熱定着後の電極において導電性固体材料がその表面に突出する。他の電極等とその電極を併せた場合、突出部が他の電極と電気的に接触してさらに電気抵抗を下げることもできる。
【0017】
また、上記課題等を解決するために電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布し、形成される電極を製造する本発明の電極製造方法は、前記電極材料の塗布前に、不燃性または難燃性液体を含んだ電解質溶液を前記電極構成体表面に塗布する電解質溶液塗布工程と、前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布する電極材料塗布工程と、前記電極材料を前記電極構成体表面に加熱定着させる加熱定着工程と、を有し、前記加熱定着される際、前記電解質溶液が前記電極材料と前記電極構成体を結着させること、を特徴とする。
【0018】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極材料塗布工程が静電複写によって前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布するものであってもよい。
【0019】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極の製造が不燃ガス雰囲気中で製造されていてもよい。
【0020】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極構成体が固体高分子型燃料電池における電解質膜または拡散層を形成する膜であってもよい。
【0021】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極材料が拡散層を形成する膜に塗布される撥水ペースト、またはカーボンに白金触媒を担持させた白金触媒であってもよい。
【0022】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極材料が前記電解質溶液の固形物を表面に被覆させたものであってもよい。
【0023】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電極材料が前記電解質溶液の固形物が含まれていてもよい。
【0024】
また、上記本発明の電極製造方法は、前記電解質溶液が導電性固体材料を含んでいてもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電極製造装置を用いて電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布して、形成される電極を製造する実施形態について説明する。なお、本発明の実施形態は、本発明の実施に関しての好ましい一例であって、本発明は、本実施形態に限定されるものではない。
【0026】
なお、本実施形態では、電極構成体として固体高分子型燃料電池の電解質膜(以下、電解質膜という)10、粉体の電極材料としてカーボンに白金の担持させた白金触媒(以下、白金触媒という)20を用い、電解質膜10と白金触媒20の結着剤として電解質膜と同じ電解質である(例えばパーフルオロスルホン酸系電解質)電解質溶液30を用いた。さらにこの電解質溶液は水(不燃性)を含んでいる。
【0027】
このような構成で、電解質膜10上に白金触媒20を塗布された電極(白金触媒20が電解質膜10の表面に塗布された構造)の製造方法について説明する。
【0028】
図1には本実施形態1の電極製造装置100が示される。電極製造装置100は第1工程(スクリーン印刷)100a、第2工程(静電複写印刷)100b、第3工程(定着部)100cからなる。電解質膜10は矢印50の方向に向かって、第1工程100a、第2工程100b、第3工程100cの順に送られ電極製造処理される。
【0029】
最初に電解質膜10は、第1工程100aへと導かれる。ここで、電解質膜10は電解質溶液30をスクリーン印刷装置40によって塗布される。電解質溶液30が塗布される場所は白金触媒20を第2工程100bで塗布したい場所であるが全面であってもよい。第1工程100aでは、電解質溶液30を塗布できればどんな塗布手段であってもよい。ここで電解質溶液30を塗られた後の電解質膜が図2に示される。ここで電解質膜10に塗られる電解質溶液30の膜厚は0.5から5.0μmであることが望ましいがそれに限定されるものではない。
【0030】
第1工程100aで電解質溶液30を塗布された電解質膜10は第2工程100bに移動する。第2工程100bでは、白金触媒20を所望の場所に静電複写して塗布する。具体的に静電複写について説明する。
【0031】
白金触媒20の粉末を収納した収納カートリッジ51がある。この収納カートリッジ51の白金触媒20中に帯電電極53が備えられている。この電極53は電源52に接続され、電源52から供給される電荷によって白金触媒粉末51を負に帯電させる。負に帯電させられた白金触媒20は現像ローラ54に物理的に付着し、現像ローラ54の回転によって感光ドラム57へと運搬される。
【0032】
ここで感光ドラム57は静電ローラ56によって正に帯電させられている。しかし、露光55にさらされた箇所は除電されている。したがって、感光ドラム57へと運搬された負に帯電させられた白金触媒20は、除電されていない箇所のみ静電力で感光ドラム57へ付着する。感光ドラム57に付着した白金触媒20は回転ドラム57の回転により電解質膜10の上の半乾燥状態の電解質溶液30と接触し、電解質膜10側へと印刷される。ここで、電解質膜10の表面に白金触媒20を印刷したいパターンの形状に応じて露光55を行えばよい。
【0033】
この印刷のとき、電解質膜10の上の電解質溶液30は半乾燥状態であると、静電複写の際、白金触媒20がその表面に塗布されやすい。また、その半乾燥状態を得るために、第1工程100aと第2工程100bでは電解質溶液に含まれる水を低減させるブロワを設けてもよい。第2工程は白金触媒20を電解質膜10の表面に固定できるものであれば何であってもよい。
【0034】
ここで収納カートリッジ51内の白金触媒20に図3の電解質溶液30の固形物を混合させることも可能である(混合方式20a)。また、白金触媒20の表面を電解質溶液30の固形物で被覆させることも可能である(被覆方式20b)。混合方式20aと被覆方式20bで静電複写を行えば固形物である電解質溶液20が溶融する。したがって、図3のように電解質溶液30は白金触媒20を包含するようにして、電解質膜10の表面に結着させる。このようにして、白金触媒20を包含するようにして結着させることができるのでより強固に結着できる。
【0035】
白金触媒20を印刷された電解質膜10は第3工程100cに移動する。第3工程100cでは、電解質膜10上の白金触媒20は加熱定着手段である加熱ローラ60によって、電解質膜10に加熱定着され、電極が形成される。電解質溶液30がない状態では、電解質膜10が溶融して、白金触媒20と電解質膜10を結着するが、電解質溶液30を用いた場合と比較して包含するように結着することができない場合がある。しかし、電解質溶液30があれば、加熱ローラ60による加熱定着によって半乾燥した電解質溶液30が溶融し、白金触媒20を包含するようにして白金触媒20と電解質膜10が結着される。
【0036】
ここでは、加熱定着(ホットプレス)することができれば、平板ホットプレス等何であってもよい。このようにして、電解質膜10に白金触媒20を塗布した電極が形成できる。
このようにして加熱定着の際、電解質溶液30が粉体の白金触媒20を強固に電解質膜10の表面に結着させる。よって、電極の使用中に粉体の白金触媒20が電解質膜10の表面からはがれ落ちることを防止できる。また、導電性がある電解質溶液30で結着できるので、有機系の結着剤による電気抵抗の増大も防止できる。また、加熱定着時等に有機系の結着剤では発火しやすい場合があるが、水などの不燃性または難燃性の液体を含有させた電解質溶液によって発火を防止することもできる。
【0037】
第2工程100b以降、第3工程が終わるまで電解質膜10は窒素雰囲気中(不燃性ガス)内で処理される。このように不燃性ガスの雰囲気内で静電複写や加熱定着されることで白金触媒が発火することを防止できる。
【0038】
また、電解質溶液30内にカーボン粉末、カーボン繊維、カーボンナノチューブなどの導電性固体材料を混入させてもよい。導電性固体材料を電解質溶液30中に含ませることで加熱定着後の電極において導電性固体材料がその表面に突出する。この電解質膜10を用いてMEAとした場合、突出した導電性固体材料が拡散層を形成する膜のカーボン等と電気的に接触してさらに電気抵抗を下げることもできる。電極自体の抵抗を下げることもできる。
【0039】
上記各実施形態において、電解質膜10の代わりに拡散層を形成する膜を用いることも可能である。この場合は、白金触媒20を同様に塗布することもできるが、撥水ペーストを印刷することもできる。このとき、撥水ペーストを第1工程で塗布する電解質溶液30中に含んでいてもよい。
【0040】
また、固体高分子型燃料電池以外にも、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池の電極の製造方法にも適用できる。さらに、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、Ni系電池(例えばNi−MH電池など)など二次電池をはじめとして、電池一般の電極の製造方法に適用できる。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布し、より高性能な電極を製造する電極製造装置および方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の電極製造装置を示す図である。
【図2】第1工程で電解質溶液が塗布された電解質膜を説明する図である。
【図3】第2工程を説明する図である。
(符号の説明)
10 電解質膜(電極構成体)、20 白金触媒(電極材料)、30 電解質溶液、40 スクリーン印刷装置、50 移動方向、51 カートリッジ、52電源、53 電極、54 現像ローラ、55 露光、56 静電ローラ、57感光ドラム、60 加熱ローラ、70 不燃性ガス、100 電極製造装置、100a 第1工程、100b 第2工程、 100c 第3工程。
Claims (16)
- 電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布し、形成される電極を製造する電極製造装置において、
不燃性または難燃性液体を含んだ電解質溶液と、
前記電極材料の塗布前に、前記電解質溶液を前記電極構成体表面に塗布する電解質溶液塗布手段と、
前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布する電極材料塗布手段と、
前記電極材料を前記電極構成体表面に加熱定着させる加熱定着手段と、
を有し、
前記加熱定着される際、前記電解質溶液が前記電極材料と前記電極構成体を結着させること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1に記載される電極製造装置において、
前記電極材料塗布手段は、静電複写によって前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布すること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1または2に記載される電極製造装置において、
前記電極の製造は、不燃性ガス雰囲気中で製造されること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1から3のいずれか1つに記載される電極製造装置において、
前記電極構成体は、固体高分子型燃料電池における電解質膜または拡散層を形成する膜、であること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1から4のいずれか1つに記載される電極製造装置において、
前記電極材料は、撥水ペーストまたはカーボンに白金触媒を担持させた白金触媒であること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1から5のいずれか1つに記載される電極製造装置において、
前記電極材料は、前記電解質溶液の固形物を表面に被覆させたものであること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1から6のいずれか1つに記載される電極製造装置において、
前記電極材料は、前記電解質溶液の固形物が含まれていること、
を特徴とする電極製造装置。 - 請求項1から7のいずれか1つに記載される電極製造装置において、
前記電解質溶液は導電性固体材料を含むこと、
を特徴とする電極製造装置。 - 電極構成体表面に粉体の電極材料を塗布し、形成される電極を製造する電極製造方法において、
前記電極材料の塗布前に、不燃性または難燃性液体を含んだ電解質溶液を前記電解質溶液を前記電極構成体表面に塗布する電解質溶液塗布工程と、
前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布する電極材料塗布工程と、
前記電極材料を前記電極構成体表面に加熱定着させる加熱定着工程と、
を有し、
前記加熱定着される際、前記電解質溶液が前記電極材料と前記電極構成体を結着させること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9に記載される電極製造方法において、
前記電極材料塗布工程は、静電複写によって前記電極材料を前記電極構成体表面に塗布すること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9または10に記載される電極製造方法において、
前記電極の製造は、不燃性ガス雰囲気中で製造されること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9から11のいずれか1つに記載される電極製造方法において、
前記電極構成体は、固体高分子型燃料電池における電解質膜または拡散層を形成する膜、であること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9から12のいずれか1つに記載される電極製造方法において、
前記電極材料は、撥水ペーストまたはカーボンに白金触媒を担持させた白金触媒であること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9から13のいずれか1つに記載される電極製造方法において、
前記電極材料は、前記電解質溶液の固形物を表面に被覆させたものであること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9から14のいずれか1つに記載される電極製造方法において、
前記電極材料は、前記電解質溶液の固形物が含まれていること、
を特徴とする電極製造方法。 - 請求項9から15のいずれか1つに記載される電極製造方法において、
前記電解質溶液は導電性固体材料を含むこと、
を特徴とする電極製造方法。
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