JP2008103251A - 電解質膜への触媒層の熱転写方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池で用いる電解質膜と触媒層との積層体を、品質安定性の高い状態で、熱転写により連続製造する。
【解決手段】帯状の電解質膜２２と、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１とを積層状態として、温度制御された一対の熱転写ロール１１ａ，１１ｂ間を通過させ、触媒層２０を電解質膜２２連続的に熱転写するときに、触媒層２０の温度を温度検出器３０により検出し、その検出温度をもとに熱転写ロールを加熱する加熱手段１３ａ，１３ｂの温度を制御しながら熱転写を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池で用いられる電解質膜と触媒層との積層体を連続的に製造するために電解質膜へ触媒層を熱転写するための方法および装置に関する。

固体高分子型燃料電池の主要な構成要素として膜電極接合体（ＭＥＡ）がある。図６に示すように、膜電極接合体５０は、電解質膜５５の両面に燃料極用の触媒層５６ａと空気極用の触媒層５６ｂを積層し、各触媒層の上に拡散層５７ａ，５７ｂを積層した構成を持つ。電解質膜に触媒層を積層するには熱転写法が多く用いられており、作業効率等の観点から、特許文献１に記載のように、帯状の電解質膜と触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層状態とし、それを所定温度に加熱した一対の熱転写ロール間を通過させることによって、触媒層を電解質膜へ連続的に熱転写する方法も採用されている。
特開平１０−６４５７４号公報

電解質膜に触媒層を熱転写するときに、転写圧および転写温度を所定の値に維持することは、製造される燃料電池の性能および生産品質を安定化させるために重要な要素となる。特に、熱転写ロールを用いて連続転写する方法では、熱転写ロールの温度と荷重を所要に管理することが重要であり、熱転写時に熱転写ロールに不要な温度変動が起こると、触媒層の電解質膜への密着不良による性能低下、あるいは生産時に触媒層が十分に電解質膜に転写できない生産不良が生じやすい。そのために、従来の装置では、熱転写ロールに温度センサを設けて熱転写ロールの温度を検出し、検出した温度を熱転写ロール側にフィードバックして、熱転写ロールの温度を、当該電解質膜の熱転写に最適な温度、例えば８０〜１５０℃の範囲内の所定温度に維持する制御が行われている。

より具体的には、従来の温度制御は、熱転写ロールの表面から数ｍｍ程度内部に設置されている温度センサにより熱転写ロールの温度を検出し、その温度を元にして熱転写ロールの温度制御を行っている。この方法では、熱転写ロールのロール表面の材質や触媒層担持フィルムの熱伝導率の影響により、触媒層への伝熱に有意な遅れが生じる場合があり、その場合、触媒層担持フィルムに担持された触媒層の実温度と、温度センサが検出した温度（ロール表面温度あるいはロール内部温度）に、ある時間にわたり温度差が生じる。そのため、温度変化への応答遅れが生じ、その間、真に必要な転写温度を転写時に触媒層に確保できないという問題が生じる恐れがあった。この事態は、熱転写処理の開始時に特に起こりやすく、製造開始直後の電解質膜と触媒層の積層体がある長さにわたって不良品となることがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、帯状の電解質膜と触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層状態として所定温度に加熱した一対の熱転写ロール間を通過させ、それにより触媒層を電解質膜に連続的に熱転写する方法および装置において、熱転写後の積層体の品質の安定性を高くしかつ不良品の発生を少なくすることのできる、改良された電解質膜への触媒層の熱転写方法と装置を提供することを課題とする。

本発明による電解質膜への触媒層の熱転写方法は、帯状の電解質膜と、触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層状態として温度制御された一対の熱転写ロール間を通過させ、前記触媒層を前記電解質膜に連続的に熱転写する熱転写方法において、前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度を検出し、その検出温度をもとに前記熱転写ロールの温度制御を行いながら前記熱転写を行うことを特徴とする。

また、本発明による上記の熱転写方法を好適に実施することのできる装置は、一対の熱転写ロールと、帯状の電解質膜と触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層した状態で前記熱転写ロール間を通過させる手段と、前記熱転写ロールを加熱する加熱手段とを少なくとも備える電解質膜への触媒層の熱転写装置であって、前記装置は、前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出温度をもとに前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段とをさらに備えることを特徴とする。

本発明の方法および装置によれば、熱転写するに際し、電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度が直接検出され、その検出温度をもとに熱転写ロールの温度が制御される。すなわち、電解質膜の転写に最適な温度と、実計測された電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度との間に温度差がある場合、実計測された温度をもとに、その温度差を解消するのに必要な熱量が得られるよう熱転写ロールの温度が制御される。そのために、従来法による場合よりも短時間で、転写に最適な温度を触媒層に確立することができ、温度変化への対応遅れを解消できる。また、転写温度の均一化が可能となる。

本発明の熱転写方法および装置によれば、積層面全面が均質な積層状態となった電解質膜と触媒層の積層体を、初期不良品が少ない状態で得ることができる。そして、製造された積層体に拡散層をさらに積層して膜電極接合体とすることにより、電池性能および生産品質の安定した燃料電池を得ることができる。

本発明において、熱転写ロールの加熱方法に制限はなく、誘導加熱式コイル、電気ヒータ、スチーム加熱、オイル加熱など、従来の熱転写ロールにおいて用いられている加熱方法をそのまま用いることができる。高い応答性を持つことから、誘導加熱式コイルによる加熱方法は特に好ましい。

本発明において、温度検出方法および手段に制限はなく、電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの実温度を直接に検出できるものであれば任意である。接触式であってもよく非接触式であってもよい。なかでも、非接触式の赤外線放射温度計を用いることは好ましい。

本発明において、検出温度をもとに熱転写ロールの温度を制御する方法および制御手段も任意であり、従来知られたＯｎ−Ｏｆｆ制御あるいはＰＩＤ制御などを適宜用いることができる。

本発明において、電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれの温度を検出するかは、触媒層担持フィルムに担持された触媒層を、帯状の電解質膜に対してどのような態様により熱転写するかに応じて選択される。触媒層の温度を直接検出するのが最も好ましいが、触媒層に近接する電解質膜または触媒層担持フィルムの温度を検出しても、所期の目的は達成できる。ただし、その場合には、予めそれらの温度と触媒層の温度の相関データを作っておき、検出した実温度を相関データによって補正した温度をもとに熱転写ロールの温度を制御することが望ましい。

本発明において、温度の検出は、好ましくは、熱転写直前または直後の電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムに対して行う。すなわち、好ましくは温度の検出を、熱転写前の領域であって、熱転写ロールと接触状態となった電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかに対して行うか、熱転写後の領域であって、熱転写ロールと非接触状態となった直後の電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかに対して行うようにする。

本発明によれば、固体高分子型燃料電池で用いる電解質膜と触媒層との積層体を、品質安定性の高い状態で、熱転写により連続製造することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施の形態により説明する。図１は本発明による熱転写方法を実施する装置の一例を模式的に示しており、図２〜図５は本発明による温度検出と温度制御の異なった態様を説明するための図である。

図１において、熱転写装置１０は、一対の熱転写ロール１１ａ，１１ｂと一対の剥離ロール１２ａ，１２ｂを備える。熱転写ロール１１ａ，１１ｂは加熱手段１３ａ，１３ｂ（図２）を備え、加熱および温度制御が可能となっている。また、図示しない駆動装置により、熱転写ロール１１ａ，１１ｂと剥離ロール１２ａ，１２ｂは矢印方向に同期して回転駆動される。

熱転写ロール１１ａの上方には、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１の巻き出しロールが位置しており、ロールから繰り出される触媒層担持フィルム２１は、触媒層２０を下面側として熱転写ロール１１ａ，１１ｂの間および剥離ロール１２ａ，１２ｂの間を通過する。また、熱転写ロール１１ａ，１１ｂには帯状の電解質膜２２が、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１の下面側を通るようにして、図示しない供給装置により送り込まれる。

一対の熱転写ロール１１ａ，１１ｂを通過するときに、帯状の電解質膜２２と、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１は積層状態となり、所要に加熱された一対の熱転写ロール１１ａ，１１ｂにより加熱と加圧を受けることにより、触媒層担持フィルム２１に担持された触媒層２０が電解質膜２２の表面に熱転写される。転写後の前記積層体が剥離ロール１２ａ，１２ｂの間を通過するときに、触媒層担持フィルム２１のみが上方に巻き取られる。触媒層２０と電解質膜２２の積層体２３が下流側に送られる。

上記の装置において、図２に示すように、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１が熱転写ロール１１ａと接触状態となった後の触媒層２０の温度を検出することのできる位置に、例えば非接触式の赤外線放射温度計のような温度検出手段３０が配置されており、温度検出手段３０は触媒層２０が電解質膜２２に積層される直前の温度を検出する。検出された実温度情報は、Ｏｎ−Ｏｆｆ制御あるいはＰＩＤ制御などを実行する制御手段を備える温度調整器３１に送られ、例えば予め設定された電解質膜２２の転写温度との比較等が行われる。そして、実温度値と設定値との差分を解消するための熱量情報が演算され、それに基づき、熱転写ロール１１ａ、１１ｂの加熱手段１３ａ，１３ｂが所要温度に加熱される。

上記の方法によれば、検出される触媒層２０の実温度を元として熱転写ロール１１ａ、１１ｂの温度制御を行うことができるので、温度変化への応答遅れを解消することができ、触媒層２０は熱転写に最適な所定温度まで速やかに昇温し、積層面全面が均質な積層状態となった触媒層２０と電解質膜２２の積層体２３を、初期不良品が少ない状態で得ることができるようになる。

なお、熱転写ロール１１ａ、１１ｂの加熱方法が誘導加熱式コイルや電気ヒータ方式の場合には、加熱手段１３ａ，１３ｂは電流供給手段などであり、スチーム加熱やオイル加熱方式の場合には、加熱手段１３ａ，１３ｂは循環するスチームやオイルを加熱する手段となる。

触媒層２０を横断する方向に１つ以上の温度検出手段３０を配置し、検出温度の平均値を元に温度制御するようにしてもよい。装置側の都合で触媒層２０の温度を直接検出できない場合には、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１の温度を検出してもよい。その場合、予め用意した触媒層２０の温度と触媒層担持フィルム２１の温度との間の相関データにより、検出値を補正することが望ましい。また、熱転写ロール１１ａ，１１ｂのいずれか一方、好ましくは触媒層担持フィルム２１が直接接触する側の熱転写ロール１１ａのみを温度制御するようにしてもよい。

本発明の方法は、熱転写後の積層体の温度を検出することによっても、実施することができる。すなわち、図３に示すように、熱転写ロール１１ａ、１１ｂを通過した後の積層体の領域であって、熱転写ロール１１ａ、１１ｂと非接触状態となった直後の電解質膜２２，触媒層２０または触媒層担持フィルム２１のいずれかに対して、温度検出手段３０による温度検出を行い、その検出温度に基づき、図２に示したとほぼ同様にして熱転写ロール１１ａ、１１ｂの温度制御を行うこともできる。なお、図３の例では、電解質膜２２の温度を検出している。

図４に示す例は、電解質膜２２の両面に触媒層を熱転写する場合の例であり、この場合には、図示のように、一方の熱転写ロール１１ａに対して、温度検出器３０ａと温度調整器３１ａを、他方の熱転写ロール１１ｂに対して、温度検出器３０ｂと温度調整器３１ｂをそれぞれ設け、それぞれの加熱手段１３ａ，１３ｂの温度制御を行うようにしてもよい。この場合にも、図２に示したように、いずれか一方側の触媒層担持フィルム２１の温度のみを検出して、両方の熱転写ロール１１ａ、１１ｂの温度制御を行うようにしてもよい。図示しないが、この場合も、図３に示すように、熱転写後の積層体の温度を検出することによっても、実施することができる。

図５は、電解質膜２２が、触媒層２０を担持した触媒層担持フィルム２１と同じ側から一対の熱転写ロール１１ａ、１１ｂの間に送り込まれる場合であり、この場合には、図示のように、電解質膜２２の温度を温度検出器３０により検出することにより、本発明の熱転写方法を実行することができる。

なお、特に図示しないが、上記したいずれの態様においても、図示のような非接触型の温度検出器に替えて、先端に回転ロールを持つような接触型の温度検出器を用いることもできる。

また、図示の例では、熱転写ロールとして表面が平坦面のものを示したが、熱転写領域が凸部となっている熱転写ロールを一方の熱転写ロールとして用いることもできる。この場合、他方の熱転写ロールには、通常、シリコンゴムのような弾性体からなる表面層を備えたものが用いられる。一般にこのような弾性体は断熱層を形成し、熱転写ロールから触媒層への熱伝達に遅れが生じるので、この態様の熱転写装置に本発明による熱転写方法を採用することは特に有効となる。

本発明による熱転写方法を実施する装置の一例を模式的に示す図。 本発明による温度検出および温度制御の一つの態様を説明するための図。 本発明による温度検出および温度制御のさらに他の態様を説明するための図。 本発明による温度検出および温度制御のさらに他の態様を説明するための図。 本発明による温度検出および温度制御のさらに他の態様を説明するための図。 固体高分子型燃料電池の構成要素である膜電極接合体を説明するための図。

符号の説明

１０…熱転写装置、１１ａ，１１ｂ…一対の熱転写ロール、１２ａ，１２ｂ…一対の剥離ロール、１３ａ，１３ｂ…熱転写ロールの加熱手段、２０…触媒層、２１…触媒層担持フィルム、２２…帯状の電解質膜、２３…触媒層と電解質膜との積層体、３０…温度検出手段、３１…温度調整器（温度制御手段）

Claims (4)

1. 帯状の電解質膜と、触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層状態として温度制御された一対の熱転写ロール間を通過させ、前記触媒層を前記電解質膜に連続的に熱転写する熱転写方法において、前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度を検出し、その検出温度をもとに前記熱転写ロールの温度制御を行いながら前記熱転写を行うことを特徴とする電解質膜への触媒層の熱転写方法。
2. 前記温度の検出を、熱転写前の領域であって、前記熱転写ロールと接触状態となった前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかに対して行うことを特徴とする請求項１に記載の電解質膜への触媒層の熱転写方法。
3. 前記温度の検出を、熱転写後の領域であって、前記熱転写ロールと非接触状態となった直後の前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかに対して行うことを特徴とする請求項１に記載の電解質膜への触媒層の熱転写方法。
4. 一対の熱転写ロールと、帯状の電解質膜と触媒層を担持した触媒層担持フィルムとを積層した状態で前記熱転写ロール間を通過させる手段と、前記熱転写ロールを加熱する加熱手段とを少なくとも備える電解質膜への触媒層の熱転写装置であって、
   前記装置は、前記電解質膜、触媒層または触媒層担持フィルムのいずれかの温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出温度をもとに前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段とをさらに備えることを特徴とする電解質膜への触媒層の熱転写装置。

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