JP2008147144A - 触媒層形成装置、触媒層積層方法、及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】生産効率良く、電解質膜の表面に位置ずれすることなく複数の触媒層を順次積層することができる触媒層積層装置を提供する。
【解決手段】電解質膜ＥＭを搬送すると共に、触媒層の表面形状に相当する表面形状を有した少なくとも１つの凸状の転写部１１ａが形成されたエンボスロール１１と、触媒が塗布されたシートをエンボスロール１１の周方向に搬送すると共に、転写部１１ａを圧接することにより触媒を触媒層として電解質膜ＥＭに転写する転写ロールとを少なくとも備えた触媒層積層装置１であって、装置１は、転写ロールをエンボスロール１１の周方向少なくとも２つ以上備え、各転写ロール２１Ａ，２１Ｂは、シートとして、異なるまたは同種の触媒Ｃ１，Ｃ２が塗布されたシートＳ１，Ｓ２を搬送してなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の表面に触媒層を積層する触媒層積層装置に係り、特に、複数の触媒層を積層するに好適な触媒層積層装置に関する。

従来から、燃料電池用の固体高分子膜を含む電極を製造する工程の一つとして、電解質膜に触媒層を形成する工程がある。該工程は、電解質膜に触媒を塗布したシートをホットプレスにより接合した後、該シートを電解質膜から剥離することにより、電解質膜に触媒を触媒層として形成することができる。

例えば、このような触媒層を形成するための装置として、図５に示す装置が提案されている（特許文献１参照）。該装置７０は、エンボス加工により、電解質膜ＥＭの表面に触媒層ＣＬを転写することにより触媒層ＣＬを形成する装置であって、エンボスロール７１と転写ロール７２とを備えている。具体的には、エンボスロール７１は、電解質膜ＥＭを搬送すると共に、図６に示すように、触媒層ＣＬの表面形状に相当する表面形状を有した４つの凸状の転写部７１ａが周方向に形成されており、内部に加熱手段７４が備えられている。一方、転写ロール７２は、触媒Ｃが塗布されたシートＳをエンボスロール７１の周方向に搬送すると共に、加圧装置７３からの加圧力で、加熱手段７４により加熱された転写部７１ａに圧接することによって触媒Ｃを触媒層ＣＬとして電解質膜ＥＭに転写するように構成されている。前記触媒層積層装置７０によれば、エンボスロール７１の転写部７１ａの形状に合わせた触媒層ＣＬを、電解質膜ＥＭの表面に搬送方向に沿って周期的に連続して形成することができ、電解質膜に触媒を直接塗布する場合に比べて生産性に優れている。

特開２００１−１９６０７０号公報

ところで、前記電解質膜に形成された触媒層は、電解質膜に近い側と、ガスが供給される側に近い側（拡散層側）では、触媒の要求される特性が異なるため、より燃料電池の性能を向上させるためには、電解質膜の法線方向に、触媒の要求される性能に合わせた異なる種類の触媒層を積層させることが有効である。

しかし、特許文献１に記載の装置を用いて、複数の異なる触媒層を積層する場合には、その触媒層の積層数に合わせて、前記装置に電解質膜を繰り返し通過させる必要がある。さらに、電解質膜を装置に通過させて電解質膜の触媒層に異なる触媒層を積層したとしても、前記装置には、触媒層の位置合わせを行う機能がないので、前記触媒層同士が位置ずれを起すおそれがある。この結果、位置ずれを起した触媒層は、所望の箇所に要求される特性の触媒が配置されないこともあるため、充分に燃料電池の性能向上を図ることができない場合も考えられる。

また、別の態様として、電解質膜の表面をマスキングし、積層すべき触媒層に合わせて、順次異なる触媒をスプレーにより多重塗布をすることも考えられる。この方法によれば、位置ずれなく触媒層を積層することが可能であるが、前記特許文献１に記載の装置に比べて、触媒の積層に手間が掛かり、生産性が低く、コストも高くなる傾向にある。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産効率良く、電解質膜の表面に位置ずれすることなく複数の触媒層を順次積層することができる触媒層積層装置を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る触媒層積層装置は、電解質膜を搬送すると共に、触媒層の表面形状に相当する表面形状を有した少なくとも１つの凸状の転写部が形成されたエンボスロールと、触媒が塗布されたシートを該エンボスロールの周方向に搬送すると共に、前記転写部に圧接することにより、前記触媒を前記触媒層として前記電解質膜に転写する転写ロールと、を少なくとも備えた触媒層積層装置であって、該装置は、前記転写ロールを前記エンボスロールの周方向に少なくとも２つ以上備え、各転写ロールは、前記シートとして、異なるまたは同種の触媒が塗布されたシートを搬送することを特徴とする。

本発明によれば、前記エンボスロールにより前記電解質膜を搬送すると共に、エンボスロールの転写部と転写ロールとを加圧し、エンボスロールの転写部に接触した電解質膜と、転写ロールに接触したシート上の触媒と圧接させることにより、電解質膜と触媒とを接合することができる。さらに、本発明に係る触媒層積層装置は、少なくとも２つ以上の転写ロールを備えているので、エンボスロールの転写部に接触した電解質膜に対して、シートごとに塗布された触媒をエンボス加工により順次転写することができるので、転写部の表面形状に合わせた表面形状の各触媒を、触媒層として、位置ずれすることなく、順次電解質膜に積層することができる。また、異なる触媒が塗布されたシートを用いた場合には、電解質膜に近い側と、ガスが供給される側に近い側（拡散層側）において、触媒の要求される特性に合わせた触媒層を、形成することが可能となり、一層の触媒層を積層したものに比べて、燃料電池の性能をさらに向上させることができる。また、同種の触媒が塗布されたシートを用いた場合には、所望の厚みまで触媒層を形成することが可能となる。また、本発明に係る触媒積層装置は、エンボス加工により連続して電解質膜に触媒層を積層することができるので、スプレーにより触媒層を積層するものに比べて生産性が高い。

また、本発明に係る触媒層積層装置は、前記電解質膜と前記シートとの搬送速度が同期するように前記各ロールの回転速度を制御する手段をさらに備えることがより好ましい。本発明によれば、エンボスロールの回転により搬送される電解質膜と各転写ロールの回転により搬送されるシートの搬送速度を同期させるようにすることができるため、電解質膜とシート間のスリップなどによる触媒層の位置ずれを抑制することができる。

本発明に係る触媒層積層装置は、前記転写ロールの表面硬さが、前記エンボスロールの転写部の表面硬さよりも低いことがより好ましく、前記転写ロールの表層は、弾性体からなることがより好ましい。本発明によれば、転写ロールの表面硬さを前記のように低くすることにより、エンボスロールと転写ロールとニップ幅を確実に確保することができ、さらに、転写ロールの表層を弾性体にすることにより、前記ニップ幅を安定的に確保することができる。より好ましくは、前記転写ロールの少なくとも表層はシリコーンゴム材料からなり、前記エンボスロールの転写部の少なくとも表層は、鉄系材料からなる。このような組み合わせにより、シリコーンゴム材料および鉄系材料は耐熱性があり、さらに鉄系材料の転写部は加圧されても変形し難いので、確実に触媒層を積層することができる。

本発明に係る触媒層積層装置は、各転写ロールに対して、前記転写部を加圧し、該加圧力を調整するための加圧調整手段をさらに備えることがより好ましい。本発明によれば、各転写ロールが搬送するシートに塗布された触媒に合わせて、加圧力を調整することができるので、触媒層に損傷を与えることなく、異なる触媒層を確実に積層させることができる。また、前記加圧調整手段は、油圧または空圧の加圧装置と、該加圧装置の圧力を調整する圧力調整弁などから構成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る触媒層積層装置は、前記電解質膜を前記エンボスロールに巻き付けて搬送し、前記シートを前記転写ロールに巻付けて搬送し、前記転写ロールの前記シート巻付け部分を、前記転写部に加圧することがより好ましい。本発明によれば、転写部に接触した電解質膜と転写ロールの巻付け部分に接触したシートに塗布された触媒とを圧接することにより、電解質膜と触媒を接合することができるばかりでなく、触媒が接合された電解質膜からシートを接合後直ちに剥離することができる。

尚、本発明に係るエンボスロールのロール径および転写ロールのロール径は、１）触媒層の層数に合わせた転写ロールを、エンボスロールの周りに配置することができること、さらに、２）触媒層が電解質膜に転写されること（電解質膜に触媒が接合できることと触媒が接合された電解質膜からシートを剥離できること）の条件を満たすことができれば特に限定されるものではない。

本発明は、前記した触媒層積層装置を用いて、前記電解質膜に異なる触媒層を順次積層するための触媒層積層方法であって、該方法は、前記エンボスロールにより前記電解質膜を搬送すると共に、該電解質膜の表面に、前記少なくとも２つ以上の転写ロールを用いて、前記シートに塗布された前記異なるまたは同種の触媒を前記触媒層として前記電解質膜に順次積層する工程を少なくとも含むことがより好ましい。本発明に係る積層（製造）方法によれば、位置ずれなく異なるまたは同種の触媒を触媒層として電解質膜に順次積層することができる。

さらに本発明は、前記触媒層積層装置を用いて製造された電解質膜に少なくとも触媒層が接合された燃料電池用膜・電極接合体（ＭＥＡ）であり、該ＭＥＡを備えた燃料電池であることがより好ましい。

本発明によれば、生産効率良く、電解質膜の表面に位置ずれすることなく複数の触媒層を順次積層することができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る触媒層積層装置の２つの実施形態に基づいて説明する。

図１は、第一実施形態に係る触媒層積層装置の要部斜視図を示しており、図２は、図１のＡ−Ａ矢視方向を模式的に示した断面図である。図１及び２に示すように、本発明に係る触媒層積層装置１は、エンボスロール１１と、エンボスロール１１の周方向に配置された第一および第二の転写ロール２１Ａ，２１Ｂと、これらの転写ロール２１Ａ，２１Ｂを加圧し該加圧力を調整する第一および第二の加圧調整手段２２Ａ，２２Ｂと、これらのロール１１，２１Ａ，２２Ｂを回転させる回転機１３，２３Ａ，２３Ｂと少なくとも備えている。

エンボスロール１１は、該ロールの周方向に等間隔以って（９０°間隔で）、４つの凸状の転写部１１ａが形成されており、各転写部１１ａは、後述する触媒層の表面形状に相当する表面形状を有している。また、エンボスロール１１には、帯状の電解質膜ＥＭが略１８０°の巻付け角で巻付いており、エンボスロール１１は、電解質膜ＥＭを搬送するべく回転機１３に接続されている。さらに、エンボスロール１１の内部には、転写部１１ａを加熱するための加熱手段１４が備えられている。なお、加熱手段１４は、電熱線による加熱、スチームによる加熱、または誘導加熱などが挙げられ、電解質膜ＥＭを所定の温度に加熱することができるものであり、温度調整ができるような機能をさらに備えていてもよい。

第一転写ロール２１Ａは、エンボスロール１１の周方向の上方に配置されており、該ロール２１Ａの表層は、エンボスロール１１の表面硬さより低い弾性体（ゴム材）により形成されている。また、第一転写ロール２１Ａには、触媒Ｃ１が塗布されたシートＳ１が、下方周面に略１８０°の巻付け角で巻付いており、第一転写ロール２１Ａは、シートＳ１を搬送すべく回転機２３Ａに接続されている。

さらに、第一転写ロール２１Ａの内部には、加熱調整手段２４Ａが設けられており、第一転写ロール２１Ａは、エンボスロール１１の転写部１１ａを加圧する加圧調整手段２２Ａに接続されている。このような加圧調整手段２２Ａにより、転写部１１ａに第一転写ロール２１Ａを圧接することができる。また、加圧調整手段２２Ａおよび加熱調整手段２４Ａにより、加熱温度および加圧力が、触媒Ｃ１の接合条件（転写条件）に合わせて、調整可能になっている。

第二転写ロール２１Ｂは、エンボスロール１１の周方向の下方に配置されており、該ロール２１Ｂの表層は、第一転写ロールと同じゴム材により形成されている。また、第二転写ロール２１Ｂには、触媒Ｃ１とは異なる触媒Ｃ２が塗布されたシートＳ２が、上方周面に略１８０°の巻付け角で巻付いており、第二転写ロール２１Ｂは、シートＳ２を搬送すべく回転機２３Ｂに接続されている。また、第二転写ロール２１Ｂは、転写部１１ａに第二転写ロール２１Ｂを圧接することができるように、加圧調整手段２２Ｂに接続されている。さらに、第二転写ロール２１Ｂの内部には、第一転写ロール２１Ａと同様に加熱調整手段２４Ｂが設けられている。

また、本実施形態に係る触媒層積層装置１は、さらに、回転機１３，２３Ａ，２３Ｂの回転速度等を制御することにより、電解質膜ＥＭとシートＳ１，Ｓ２との搬送速度が同期するように各ロール１１，２１Ａ，２１Ｂの回転速度を制御する制御手段１５をさらに備えている。該制御手段１５は、演算装置となるＣＰＵ（図示せず）と記憶装置となるＲＯＭおよびＲＡＭ（図示せず）を備えており、各ロール１１，２１Ａ，２１Ｂの直径、電解質膜ＥＭの厚み、シートＳ１，Ｓ２の厚み等がＲＯＭまたはＲＡＭに記憶されており、電解質膜ＥＭの張力に基づいて、電解質膜ＥＭとシートＳ１，Ｓ２との間でスリップ等が生じないように、ＣＰＵにより各ロール１１，２１Ａ，２１Ｂの回転速度の制御を行っている。

さらに、図３に示すように、触媒層積層装置１は、電解質膜ＥＭの巻付け力の変化に応じて変位するロール（いわゆるダンサーロール）３１をさらに備えてもよい。該ダンサーロール３１は、エンボスロール１１のさらに上流側に配置されており、ダンサーロール３１両端にはエアーシリンダ３２が接続されており、該エアーシリンダ３２は、ダンサーロール３１に巻付いた電解質膜ＥＭの張力の変動に合わせて変位する（具体的には、エアーシリンダ３２のピストンが上下する）ようになっている。また、ダンサーロール３１の変位（又はエアーシリンダのピストンの移動量）は、変位検出手段３３により検出されるようになっている。このような変位検出手段３３により検出されたダンサーロール３１の変位量は制御手段１５に出力され、該変位量に基づいて制御手段１５は、さらに各ロール１１，２１Ａ，２１Ｂの回転速度を制御されるようになっている。より具体的には、制御手段１５は、前記ダンサーロールの位置が一定となるように（変位しないように）、各ロール１１，２１Ａ，２１Ｂの回転速度を制御している。特に、本発明に係る触媒層積層装置１は、転写ロール２１Ａ，２１Ｂが、エンボスロール１１の転写部１１ａと転写部１１ａとの間にある電解質膜ＥＭを加圧するタイミングで、電解質膜EMの張力変動が発生しやすいため、前記制御は、このような張力変動を抑制し、張力変動によるスリップ等を軽減することができるので、触媒層を位置ずれなく精度良く積層するためには特に有効である。

以下に触媒層積層装置１による触媒層が積層された電解質膜の製造方法を説明する。まず、エンボスロール１１に電解質膜ＥＭを一定の張力で１８０°の巻付け角で巻付ける。一方、第一および第二の転写ロール２１Ａ，２１Ｂの触媒Ｃ１，Ｃ２が塗布されたシートＳ１，Ｓ２を前記した如く、一定の張力で１８０°の巻付け角で巻きつけ、第一または第二の転写ロール２１Ａ，２１Ｂを、接合する触媒Ｃ１，Ｃ２に合わせた加圧力の条件で、エンボスロール１１に対して加圧する。

次に、電解質膜ＥＭおよびシートＳ１，Ｓ２の張力を保持するように、制御手段１５を用いて、各回転機１３，２３Ａ，２３Ｂを回転させると共に回転速度を制御して、電解質膜ＥＭおよびシートＳ１，Ｓ２を搬送する。さらに、該搬送と同時に、加熱手段１４及び、第一および第二の転写ロール２１Ａ，２１Ｂ内に配置された加熱調整手段２４Ａ，２４Ｂを用いて、触媒Ｃ１，Ｃ２と電解質膜ＥＭとの接合箇所をそれぞれ所定の温度に調整しながら加熱する。

このようにして、まず、第一転写ロール２１Ａのエンボスロール１１への加圧により、エンボスロール１１の転写部１１ａに接触した電解質膜ＥＭと、第一転写ロール２１Ａに接触したシートＳ１上の触媒Ｃ１とを圧接させ、電解質膜ＥＭに転写部１１ａの表面形状相当する触媒Ｃ１を接合させることができる。さらに、電解質膜ＥＭおよびシートＳ１は、各ロール１１，２１Ａに巻付いて搬送されているので、触媒Ｃ１が接合された電解質膜ＥＭからシートＳ１を直ちに剥離することができるので、効率良く電解質膜ＥＭに転写部１１ａの表面形状と同等の表面形状を有した第一触媒層ＣＬ１を転写することができる。

さらに、第一触媒層ＣＬが積層した電解質膜ＥＭは、エンボスロール１１の周方向に沿って、転写部１１ａの接触を維持した状態で、エンボスロール１１の下方まで移動する。そして、第二転写ロール２１Ｂのエンボスロール１１への加圧により、第一触媒層ＣＬ１の表面にさらに触媒層ＣＬ２を転写し、第一触媒層ＣＬ１と同様にして、第一触媒層ＣＬ１と同じ形状の第二触媒層ＣＬ２を位置ずれすることなく第一触媒層ＣＬ１に積層することができる。また、制御手段１５により、電解質膜ＥＭとシートＳ１，Ｓ２との搬送速度が同期するので、たとえ張力変動が発生した場合であっても、スリップ等の発生なく確実に第一触媒層ＣＬ１と第二触媒層ＣＬ２とを順次、電解質膜ＥＭに積層することができる。

図４は、第二実施形態に係る触媒層積層装置２を模式的に表した断面図である。第二実施形態に係る触媒層積層装置２は、第一実施形態の触媒層積層装置１のエンボスロールの下方に配置した第二転写ロールをエンボスロールの側方に配置した点と、さらに第三転写ロールおよび該ロールの付帯機器をエンボスロールの下方に配置した点が、第一実施形態のものと異なる。尚、第一実施形態に係る触媒層積層装置１と同様の機能を有する構成は、図４に同じ符号を付して、以下の詳細な説明は省略する。

図４に示すように、触媒層積層装置２の第二転写ロール２１Ｂは、エンボスロールの側方に配置されており、新たに設けた第三転写ロール２１Ｃは、エンボスロール１１の周方向の下方に配置されている。また、第三転写ロール２１Ｃの表層は、第一および第二の転写ロール２１Ａ，２１Ｂと同じゴム材により形成されている。また、第三転写ロール２１Ｃには、触媒Ｃ１，Ｃ２とは異なる触媒Ｃ３が塗布されたシートＳ３が、上方周面に略１８０°の巻付け角で巻付いており、第３転写ロール２１Ｃは、シートＳ３を搬送すべく回転機（図示せず）に接続されている。また、触媒層積層装置２は第三転写ロール２１Ｃに対して、第一および第二転写ロール２１Ａ，２１Ｂと同様に加熱調整手段２４Ｃおよび加圧調整手段２２Ｃが設けられており、加熱温度および加圧力が、触媒Ｃ２の接合条件（転写条件）に合わせて、調整可能となっている。

本実施形態によれば、さらに第三転写ロール２１Ｃを設けることにより、電解質膜ＥＭの表面に、第一触媒層ＣＬ１、第二触媒層ＣＬ２、および第三触媒層ＣＬ３を順次、位置ずれすることなく、積層させることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、第一および第二の実施形態では、転写ロールを２つまたは３つ設けたが、転写ロールの個数は、これらの個数に限定されるものではなく、触媒層の積層数に合わせて個数の転写ロールを設けることができる。

また、各転写ロールの内部に加熱調整手段を設けたが、各転写ロールの触媒の加熱条件が同じである場合には、エンボスロールのみに加熱手段を設ければよい。さらに、本発明に係る電解質膜積層装置は、電解質膜により効率的に触媒を接合するために、エンボスロールの上流側に、電解質膜を予備加熱するための手段、または予備加熱する手段を内部に備えた搬送ロールをさらに備えてもよい。

第一実施形態に係る触媒層積層装置の要部斜視図。 図１のＡ−Ａ矢視方向を模式的に示した断面図。 第一実施形態に係る触媒層積層装置の電解質膜の張力制御を説明するための図。 第二実施形態に係る触媒層積層装置を模式的に表した断面図。 従来の触媒層積層装置を模式的に表した断面図。 図５に示す触媒層積層装置のエンボスロールの斜視図。

符号の説明

１，２：触媒層積層装置、１１：エンボスロール、１１ａ：転写部、１３：回転機、１４：加熱手段、１５：制御手段、２１Ａ：第一転写ロール、２１Ｂ：第二転写ロール、２１Ｃ：第三転写ロール、２４Ａ〜２４Ｃ：加熱調整手段、２２Ａ〜２２Ｂ加圧調整手段、２３Ａ，２３Ｂ：回転機、Ｃ１〜Ｃ３：触媒、ＣＬ１：第一触媒層、ＣＬ２：第二触媒層、ＣＬ３：第三触媒層、ＥＭ：電解質膜、Ｓ１〜Ｓ３：シート

Claims (7)

1. 電解質膜を搬送すると共に、触媒層の表面形状に相当する表面形状を有した少なくとも１つの凸状の転写部が形成されたエンボスロールと、
   触媒が塗布されたシートを該エンボスロールの周方向に搬送すると共に、前記転写部に圧接することにより、前記触媒を前記触媒層として前記電解質膜に転写する転写ロールと、を少なくとも備えた触媒層積層装置であって、
   該装置は、前記転写ロールを前記エンボスロールの周方向に少なくとも２つ以上備え、各転写ロールは、前記シートとして、異なるまたは同種の触媒が塗布されたシートを搬送することを特徴とする触媒層積層装置。
2. 前記装置は、前記電解質膜と前記シートとの搬送速度が同期するように前記各ロールの回転速度を制御する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒層積層装置。
3. 前記転写ロールの表面硬さは、前記エンボスロールの転写部の表面硬さよりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒層積層装置。
4. 前記転写ロールの表層は、弾性体からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触媒層積層装置。
5. 前記装置は、各転写ロールに対して、前記転写部を加圧し、該加圧力を調整するための加圧調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触媒層積層装置。
6. 前記請求項１〜５のいずれかに記載の装置を用いて、前記電解質膜に異なる触媒層を順次積層するための触媒層積層方法であって、
   該方法は、前記エンボスロールにより前記電解質膜を搬送すると共に、該電解質膜の表面に、前記少なくとも２つ以上の転写ロールを用いて、前記シートに塗布された前記異なるまたは同種の触媒を前記触媒層として前記電解質膜に順次積層する工程を少なくとも含むことを特徴とする触媒層積層方法。
7. 前記請求項１〜５のいずれかに記載の触媒層積層装置を用いて製造された燃料電池。

Images