JP2010119967A - 触媒回収方法、装置及びこれを備えた膜−電極接合体製造設備 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜等に触媒層を形成するに際して副資材として使用したフィルムに付着した触媒を簡易かつ効率よく回収する装置を提供する。
【解決手段】触媒層形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する装置であって、触媒２が付着したフィルム１をロール１２に掛け回して一方向に送るフィルム搬送手段１１と、同手段１１により送られるフィルム１を溶媒２２に浸す溶媒浸潤手段２１を設ける。また、同手段２１により溶媒２２に浸されたフィルム１の触媒付着面にブラシ３２を摺接させてフィルム１に付着した触媒２を溶媒槽２３内の溶媒２２中に剥ぎ落とす触媒剥離手段３１と、この触媒２２が剥ぎ落とされた溶媒槽２３内の溶媒２２をろ過して触媒２２を回収する溶媒ろ過手段４１を設ける。電解質膜等に触媒層を連続的に形成するラインにおいて、副資材として使用したフィルム１に付着した触媒２を連続的に回収可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の電解質膜等の表面への触媒層の形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する触媒回収方法、装置及びこれを備えた膜−電極接合体製造設備に関するものである。

従来、この種の触媒回収技術としては特許文献１に記載のものがあった。
これは、電解質膜又は拡散層の表面に触媒層が形成されている対象物から触媒を回収する方法であって、触媒層に固体粒子群を衝突させて触媒を剥離させ、剥離した触媒を回収するというものである（例えば、特許文献１参照）。
その他、使用済みの燃料電池（詳しくは膜−電極接合体）の触媒層から触媒を回収する技術として、特許文献２〜４に記載のものがあった。

特開２００６−９５３６７号公報 特開２００７−２９７６５５号公報 特開２００５−２３５５１１号公報 特開２００６−２０７００３号公報

上記従来技術は、いずれも燃料電池の電解質膜や拡散層（以下、電解質膜等と略記する。）の表面に形成された触媒層の触媒を回収する方法であって、触媒層の形成時に副資材として使用したフィルム面に付着した触媒の回収については何ら配慮されていなかった。
しかし、副資材として使用したフィルムから連続的に触媒を回収する方法は、電解質膜等の表面に連続的に触媒層を形成する、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）ひいては燃料電池の量産ラインにおいて副資材としてフィルムを用いる場合に、極めて重要な技術であり、その開発が強く望まれていた。

すなわち、従来、電解質膜等に触媒層を連続して形成する方法には、転写法やマスキング法がある。転写法は、仮の基材（副資材として使用したフィルム）上に塗布・乾燥させた触媒を、熱／圧カを付与して電解質膜に転写して触媒層を形成する方法であるが、仮の基材の上には転写されなかった触媒が残る。マスキング法は、触媒をインク状にし、スプレーでマスキングフィルム（副資材として使用したフィルム）上から電解質膜へ塗布して触媒層を形成する方法であるが、電解質膜の触媒不要部分に位置するマスキングフィルム面に触媒が残る。
このように、いずれの触媒層形成方法においても、副資材として使用したフィルム面には触媒が付着、残留し、特に、触媒層連続形成方法においてはその付着量は漸増する。このため従来、簡易で高効率の触媒回収方法、装置の開発が急がれていた。

本発明は、上記のような要望に鑑みなされたもので、電解質膜等に触媒層を形成するに際して副資材として使用したフィルムに付着、残留した触媒を簡易かつ効率よく回収でき、特に、電解質膜等に触媒層を連続して形成するライン等に適用して大なる効果を発揮できる触媒回収方法、装置及びこれを備えた膜−電極接合体製造設備を提供することを課題とする。

上記課題は、触媒回収方法、装置及びこれを備えた膜−電極接合体製造設備を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、（５）項が請求項４に、（６）項が請求項５に、各々対応する。（４）項は請求項に係る発明ではない。

（１） 触媒層形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する方法であって、前記フィルムをロールに掛け回して一方向に送りながら溶媒に浸し、この溶媒に浸されたフィルムの触媒付着面にブラシを摺接させて前記フィルムに付着した触媒を溶媒槽内の溶媒中に剥ぎ落とし、この触媒が剥ぎ落とされた前記溶媒槽内の溶媒をろ過して前記触媒を回収することを特徴とする触媒回収方法。
ブラシは、少なくとも一部が溶媒槽内の溶媒中に浸漬され、ロールとは反対方向に回転する回転ブラシが望ましい。
（２） 前記フィルムは前記溶媒槽内の溶媒中に浸漬されることによって溶媒に浸されることを特徴とする（１）項に記載の触媒回収方法。
（３） 前記フィルムは前記ロールの手前位置で溶媒が吹き付けられることによって溶媒に浸されることを特徴とする（１）項に記載の触媒回収方法。
（４） 前記フィルムは張力が付与されながら送られることを特徴とする（１）項、（２）項又は（３）項に記載の触媒回収方法。
本項に記載の発明によれば、フィルムはロール上に安定して位置決めされて送られる。
（５） 触媒層形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する装置であって、前記フィルムをロールに掛け回して一方向に送るフィルム搬送手段と、このフィルム搬送手段により送られる前記フィルムを溶媒に浸す溶媒浸潤手段と、この溶媒浸潤手段により溶媒に浸された前記フィルムの触媒付着面にブラシを摺接させて前記フィルムに付着した触媒を溶媒槽内の溶媒中に剥ぎ落とす触媒剥離手段と、この触媒が剥ぎ落とされた前記溶媒槽内の溶媒をろ過して前記触媒を回収する溶媒ろ過手段とを、具備することを特徴とする触媒回収装置。
フィルムは、張力が付与されながら送られることが好ましい。
溶媒浸潤手段としては、フィルムを溶媒中に浸漬する手段や、フィルムに溶媒を吹き付ける手段等が挙げられる。
（６） 前記ブラシは、少なくとも一部が前記溶媒槽内の溶媒中に浸漬され、前記フィルムの送り方向とは反対方向に回転する回転ブラシであることを特徴とする（５）項に記載の触媒回収装置。
（７） 副資材として使用したフィルムの面に触媒が付着する、電解質膜に触媒層を連続的に形成するラインを含む膜−電極接合体製造設備であって、
（６）項に記載の触媒回収装置を前記ラインの後段側に具備することを特徴とする膜−電極接合体製造設備。

（１）項に記載の発明によれば、電解質膜等に触媒層を形成するに際して副資材として使用したフィルムに付着、残留した触媒を簡易かつ効率よく回収でき、特に、電解質膜等に触媒層を連続して形成するライン等に適用して大なる効果を発揮できる触媒回収方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、フィルムに付着した触媒の剥ぎ落としを効果的に行える。
（３）項に記載の発明によれば、フィルムに付着した触媒の剥ぎ落としを、溶媒槽内にフィルムを浸漬することなく効果的に行える。
（５）項に記載の発明によれば、電解質膜等に触媒層を形成するに際して副資材として使用したフィルムに付着、残留した触媒を簡易かつ効率よく回収でき、特に、電解質膜等に触媒層を連続して形成するライン等に適用して大なる効果を発揮できる触媒回収装置を提供できる。
（６）項に記載の発明によれば、フィルムに付着した触媒の剥ぎ落としを高効率に行える。
（７）項に記載の発明によれば、電解質膜に触媒層を連続的に形成するラインにおいて、副資材として使用したフィルムに付着、残留した触媒を簡易かつ高効率に回収できる膜−電極接合体製造設備を提供できる。
なお、（４）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明方法が適用された触媒回収装置の一実施形態を示す全体構成図である。
本実施形態に係る触媒回収装置は、触媒層形成時に副資材として使用したフィルム１の面（フィルム面）に付着した白金等からなる触媒２を回収する装置であって、フィルム搬送手段１１、溶媒浸潤手段２１、触媒剥離手段３１及び溶媒ろ過手段４１を備えてなる。

フィルム搬送手段１１は、フィルム１をロール１２に掛け回して一方向、図示例では右方向に送る、詳しくはフィルム１を繰り出すフィルム繰出しロール１３からロール１２を経てフィルム１を巻き取るフィルム巻取りロール１４に向けて送る手段であり、少なくともロール１４は駆動源により回転駆動される。図中矢印アはロール１２〜１４の回転方向、矢印イはフィルム１が送られる経路を示す。
図示例では、フィルム１の触媒２が付着された面（触媒付着面）が図中、下側に向くようにロール１２〜１４がセットされる。またフィルム１は、適宜の張力が付与されながら送られ、ロール１２〜１４上に、特にロール１２上に安定して位置決めされて送られる。またフィルム１は、連続又は断続して、ここでは連続して送られる。

溶媒浸潤手段２１は、フィルム搬送手段１１により送られるフィルム１をエタノール等の溶媒２２に浸す手段であって、図示例では、フィルム１が掛け回されたロール１２の下方部分をフィルム１と共に溶媒槽２３内の溶媒２２中へ浸漬させるように構成されている。

触媒剥離手段３１は、溶媒浸潤手段２１により溶媒２２に浸されたフィルム１の触媒付着面にブラシ３２を摺接させてフィルム１に付着した触媒２を溶媒槽２３内の溶媒２２中に剥ぎ落とすように構成されている。
図示例では、ブラシ３２には回転ブラシが用いられ、その回転方向ウはフィルム１の送り方向（ロール１２の回転方向）とは反対の方向に設定されており、またこの回転ブラシ３２は、溶媒槽２３内の溶媒２２中に浸漬、配置されている。触媒２を高効率で剥ぎ落とすためである。

溶媒ろ過手段４１は、触媒２が剥ぎ落とされた溶媒槽２３内の溶媒（触媒混入溶媒）２２をろ過して触媒２を回収する手段であって、図示例ではポンプ４２及びフィルタ４３を備えて構成されている。

次に、上述した実施形態の動作について説明する。
いま、フィルム搬送手段１１を構成するロール１４が矢印ア方向に回転駆動してロール１２，１３が矢印ア方向に回転し、フィルム１が矢印イに示す経路で送られているとする。
この状態で、触媒剥離手段３１を構成する回転ブラシ３２が矢印ウ方向に回転すると、そのブラシ面がロール１２の下端部分においてフィルム１の触媒付着面に摺接し、同フィルム１に付着している触媒２を溶媒槽２３内の溶媒２２中に剥ぎ落とす。

フィルム１は、回転ブラシ３２に摺接する前に溶媒浸潤手段２１によって溶媒２２に浸され、具体的には溶媒槽２３内の溶媒２２中に浸漬され、しかもフィルム１の送り方向イ（ロール１２の回転方向ア）とは反対の方向ウに回転しているので、フィルム１に付着した触媒２は高効率に剥ぎ落とされる。
溶媒槽２３内の溶媒２２は、回転ブラシ３２によって剥ぎ落とされた触媒２と共に溶媒ろ過手段４１に送られ、具体的にはポンプ４２によってフィルタ４３に送られ、触媒２と分離されて溶媒槽２３内に戻される。一方、溶媒２２中の触媒２はフィルタ４３部分に残留し、適時、回収される。

以上述べた実施形態によれば、次のような効果が得られる。
前述した転写法やマスキング法を用いて電解質膜に触媒層を連続的に形成するラインにおいては、副資材として使用したフィルムの面に触媒が付着する。
この触媒が付着したフィルムは、上記ラインを経て連続的に排出されるが、本実施形態では、図１に示すように、このようなフィルム１を巻き取ってフィルム繰出しロール１３となし、上述したように繰り出し送りながら、同フィルム１に付着した触媒２を剥ぎ落とす。この触媒２の剥ぎ落としは、上述したようにフィルム１を溶媒２２に浸した後、フィルム送り方向イとは反対方向ウに回転するブラシ３２によって行うという形態であり、フィルム１に付着した触媒２は、簡易な構成にて高効率に剥ぎ落としされる。
触媒２が剥ぎ落とされて混入する溶媒槽２３内の溶媒２２は、ポンプ４２によってフィルタ４３に送られ、その溶媒２２中の触媒２はフィルタ４３部分に残留し、回収されるので、フィルム１に付着した触媒２は連続的に、かつ簡易、高効率に回収できる。

図２は、図１に示した実施形態を応用してなる触媒回収装置が触媒回収機構に適用された膜−電極接合体製造設備の一例を概略的に示す構成図である。
図示するように、膜−電極接合体製造設備は電解質膜５１に触媒層５２を連続的に形成するラインを含むが、ここでは電解質膜５１への触媒層５２の連続形成にマスキング法が適用されている。すなわち触媒層５２は、インク状にされた触媒２をスプレー５３でマスキングフィルム（副資材として使用したフィルム）１上から電解質膜５１へ塗布して形成され、電解質膜５１の触媒不要部分に位置するマスキングフィルム１面には触媒２が付着、残留している。
触媒回収機構５４は、電解質膜５１に触媒層５２を連続的に形成するラインの後段側に付設され、マスキングフィルム１面に付着している触媒２を回収する機構である。この触媒回収機構５４は、図中、破線エで囲んだ領域内に拡大して示す触媒回収装置５５からなる。

この触媒回収装置５５は、図示するように、図１に示す触媒回収装置を応用したものでる。ここでは、触媒２が付着したフィルム１は電解質膜５１に触媒層５２を連続的に形成するラインから連続的に排出され、この排出されたフィルム１から直接、触媒２を回収するように構成されている。したがって、図１中のフィルム繰出しロール１３は存在せず、これ以外は図１に示す触媒回収装置と同様に構成されているので、同一又は相当部分に同一符号を付してその説明を省略する。

このような膜−電極接合体製造設備によれば、電解質膜５１に触媒層５２を連続的に形成するラインにおいて、副資材として使用したフィルム１に付着した触媒２の回収を簡易かつ高効率に行える。

なお上述実施形態では、図１に示すように、溶媒浸潤手段２１を、フィルム１が掛け回されたロール１２の下方部分をフィルム１と共に溶媒槽２３内の溶媒２２中へ浸漬させるように構成したが、この例のみに限定されることはない。例えば、図３に示すように、ロール１２の手前位置（触媒２の剥ぎ落とし手前位置）でエタノール等の溶媒２２をスプレー６１により吹き付けることによってフィルム１が溶媒２に浸されるように構成してもよい。
このような実施形態によれば、フィルム１に付着した触媒２の剥ぎ落としを、溶媒槽２１内にフィルム１を浸漬することなく行える。
なお、スプレー６１への溶媒２２の供給は、例えば、図示するようにスプレー６１及び溶媒槽２３間に設けられたポンプ６２により行われる。この場合、溶媒槽２１内のポンプ６２への溶媒供給口部分にフィルタを設け、溶媒２２中の触媒２がポンプ６２側に送られないようにすることが望ましい。

また上述実施形態では、電解質膜に触媒層を連続的に形成するラインにおいて、副資材として使用したフィルムに付着した触媒を回収する場合について述べたが、この例のみに限定されることはない。例えば、燃料電池の拡散層に触媒層を連続的に形成するラインにおいて、副資材として使用したフィルムに付着した触媒を回収する場合にも本発明を適用できる。

本発明方法が適用された触媒回収装置の一実施形態を示す全体構成図である。 図１に示す触媒回収装置が適用された燃料電池の膜−電極接合体製造設備の一例を概略的に示す構成図である。 触媒回収装置の他の実施形態を示す全体構成図である。

符号の説明

１：フィルム、２：触媒、１１：フィルム搬送手段、１２：ロール、２１：溶媒浸潤手段、２２：溶媒、２３：溶媒槽、３１：触媒剥離手段、３２：回転ブラシ（ブラシ）、４１：溶媒ろ過手段。

Claims (6)

1. 触媒層形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する方法であって、
   前記フィルムをロールに掛け回して一方向に送りながら溶媒に浸し、
   この溶媒に浸されたフィルムの触媒付着面にブラシを摺接させて前記フィルムに付着した触媒を溶媒槽内の溶媒中に剥ぎ落とし、
   この触媒が剥ぎ落とされた前記溶媒槽内の溶媒をろ過して前記触媒を回収することを特徴とする触媒回収方法。
2. 前記フィルムは前記溶媒槽内の溶媒中に浸漬されることによって溶媒に浸されることを特徴とする請求項１に記載の触媒回収方法。
3. 前記フィルムは前記ロールの手前位置で溶媒が吹き付けられることによって溶媒に浸されることを特徴とする請求項１に触媒回収方法。
4. 触媒層形成時に副資材として使用したフィルムの面に付着した触媒を回収する装置であって、
   前記フィルムをロールに掛け回して一方向に送るフィルム搬送手段と、
   このフィルム搬送手段により送られる前記フィルムを溶媒に浸す溶媒浸潤手段と、
   この溶媒浸潤手段により溶媒に浸された前記フィルムの触媒付着面にブラシを摺接させて前記フィルムに付着した触媒を溶媒槽内の溶媒中に剥ぎ落とす触媒剥離手段と、
   この触媒が剥ぎ落とされた前記溶媒槽内の溶媒をろ過して前記触媒を回収する溶媒ろ過手段とを、
   具備することを特徴とする触媒回収装置。
5. 前記ブラシは、少なくとも一部が前記溶媒槽内の溶媒中に浸漬され、前記フィルムの送り方向とは反対方向に回転する回転ブラシであることを特徴とする請求項４に記載の触媒回収装置。
6. 副資材として使用したフィルムの面に触媒が付着する、電解質膜に触媒層を連続的に形成するラインを含む膜−電極接合体製造設備であって、
   請求項５に記載の触媒回収装置を前記ラインの後段側に具備することを特徴とする膜−電極接合体製造設備。

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