JP2010251012A - ホットプレス用治具及び転写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に寄与する部分における電解質膜の破損を防止するホットプレス用治具を提供することを課題とする。
【解決手段】一対の熱盤Ａ間で転写シート９及び電解質膜８を挟持し、転写シート９に熱及び圧力を加えて転写シート９の触媒層９２を電解質膜８に転写するホットプレスに用いられるホットプレス用治具１である。このホットプレス用治具１は、使用時に、転写シート９及び電解質膜８を挟持する一対の治具本体部２を備えている。各治具本体部２は、使用時に、触媒層９２の中央部９２１と対向し、熱盤Ａの熱を触媒層９２の中央部９２１に伝える転写部２１と、転写部２１を囲うように形成され、使用時に、触媒層９２の外周縁部９２２と対向し、熱盤Ａの熱を触媒層９２の外周縁部９２２に伝えない非転写部２２と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホットプレス用治具及び転写装置に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面のそれぞれに、触媒層及びガス拡散層からなる電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）を主な構成としている。この膜電極接合体の製造方法は種々のものが提案されているが、その中の一つの方法として基材シートの一面に触媒層が形成された転写シートを利用した製造方法が挙げられる（例えば特許文献１など）。この方法では、まず電解質膜を準備し、この電解質膜の両面それぞれに転写シートを配置する。そして、これらにホットプレスを施し、転写シートの触媒層を電解質膜に転写して、この触媒層上にガス拡散層を積層して膜電極接合体を形成する。

特開２００２−１５８０１４号公報

しかしながら、上記方法では、ホットプレスによって触媒層を電解質膜に転写する際に、転写シートのエッジが電解質膜に食い込んでしまい、この電解質膜の食い込まれた部分から破損が生じるおそれがあった。このように発電に寄与する部分において電解質膜が破損すると電池性能が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明は、発電に寄与する部分における電解質膜の破損を防止するホットプレス用治具及び転写装置を提供することを課題とする。

本発明に係るホットプレス用治具は、上記課題を解決するためになされたものであり、一対の熱盤によって基材シート及び基材シート上に形成された触媒層を有する転写シートと被転写物とを挟持し、転写シートに熱及び圧力を加えて転写シートの触媒層を被転写物に転写するホットプレスに用いられるホットプレス用治具であって、使用時に、転写シート及び被転写物を挟持する一対の治具本体部を備え、前記各治具本体部は、使用時に、基材シートを介して触媒層の中央部と対向し、熱盤の熱を触媒層の中央部に伝える転写部と、前記転写部を囲うように形成され、使用時に、基材シートを介して触媒層の外周縁部と対向し、熱盤の熱を触媒層の外周縁部に伝えない非転写部と、を有している。

この構成によれば、基材シートを介して転写部と対向する触媒層の中央部のみに熱が加わるため、触媒層の中央部のみが被転写物に転写され、基材シートを介して非転写部と対向する触媒層の外周縁部は熱が加わらないため被転写物に転写されない。被転写物の食い込みが発生する部分は触媒層の外周縁部のエッジであるが、この外周縁部は被転写物に転写されない部分、すなわち発電性能に影響しない部分である。このため、発電に寄与する部分における被転写物の食い込みを防止することができ、ひいては、発電に寄与する部分における被転写物の破損を防止することができる。なお、上記非転写部は、熱盤の熱を触媒層の外周縁部に伝えないよう構成されているが、触媒層の外周縁部を被転写物に転写しない程度の熱であれば伝わってもよい。

上記ホットプレス用治具は種々の構成をとることができるが、例えば、基材シート及び転写シートへの加圧方向と垂直方向における各治具本体部の位置を決定する位置決め手段をさらに備えていることが好ましい。従来、被転写物に対する触媒層の位置決めは、手作業によるものであったため、例えば電解質膜の両面に触媒層を転写する際、転写シートの位置が互いに対してずれてしまう場合があり、このように転写シートがずれてしまうと電解質膜の上面及び下面に転写されたそれぞれの触媒層の位置もずれてしまうという問題があった。しかし、本発明によれば、電解質膜に転写される触媒層の位置は、転写シートの位置ではなく治具本体部の転写部の位置によって決められるため、上記位置決め手段によって治具本体部の位置を互いに一致させておくことで、転写シートの位置が互いに対してずれていても、触媒層は互いに対して位置がずれることなく電解質膜に転写することができる。

上記各治具本体部は対向する位置に凹部を形成し、この凹部に両端部が挿入された棒状部材を上述した位置決め手段とすることができる。この棒状部材は伸縮自在に構成してもよい。なお、上記凹部は貫通孔も含む概念である。

上記転写部は、非転写部よりも高い熱伝導率を有していることが好ましい。より具体的には、転写部の熱伝導率を１０Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましく、１００Ｗ／ｍＫ以上とすることがより好ましい。また、非転写部の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以下とすることが好ましい。このように転写部の熱伝導率を１０Ｗ／ｍＫ以上、さらには１００Ｗ／ｍＫ以上とすることで触媒層を被転写物に効率良く転写することができ、また、非転写部の熱伝導率を１Ｗ／ｍＫ以下とすることで触媒層の被転写物への転写を確実に防ぐことができる。

また、上記非転写部は弾性体から構成することが好ましい。この構成によれば、非転写部と対向する触媒層の外周縁部がより被転写物に転写しにくくなる。なお、ここでいう弾性体とは、ヤング率が１ＧＰａ以下の天然ゴム、合成ゴムなど、金属に比べて圧縮されるものをいう。

また、上記各治具本体部間の最小間隙距離を規制する間隙距離規制手段をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、触媒層が被転写物に対して必要以上に食い込まないような距離に治具本体部間の最小間隙距離を設定することができる。

上記間隙距離規制手段は、各治具本体部間に設置された、所定の厚さを有する間隙距離規制部材とすることができる。なお、上記「所定の厚さ」とは、ホットプレスを施した際に、触媒層が必要以上に被転写物に食い込まない程度の厚さをいい、具体的には、治具本体部間に配置された転写シートと被転写物との合計の厚さから被転写物の厚さの約５〜８０％薄くした厚さが好ましく、約２０〜５０％薄くした厚さがより好ましい。

また、本発明に係る転写装置は、基材シート及び基材シート上に形成された触媒層を有する転写シートと被転写物とを挟持して、被転写物に触媒層を転写する転写装置であって、互いに近接及び離間可能な一対の熱盤と、前記熱盤の間に配置され、使用時に転写シート及び被転写物を挟持する一対の治具本体部と、を備え、前記治具本体部は、使用時に、基材シートを介して触媒層の中央部と対向し、前記熱盤の熱を触媒層の中央部に伝える転写部と、前記転写部を囲うように形成され、使用時に、基材シートを介して触媒層の外周縁部と対向し、前記熱盤の熱を触媒層の外周縁部に伝えない非転写部と、を有している。

この転写装置によれば、熱盤からの熱が、基材シートを介して転写部と対向する触媒層の中央部のみに熱が加わる。このため、触媒層の中央部のみが被転写物に転写され、基材シートを介して非転写部と対向する触媒層の外周縁部は熱盤からの熱が加わらないため被転写物に転写されない。被転写物の食い込みが発生する部分は触媒層の外周縁部のエッジであるが、この外周縁部は被転写物に転写されない部分、すなわち発電性能に影響しない部分である。このため、発電に寄与する部分における被転写物の食い込みを防止することができ、ひいては、発電に寄与する部分における被転写物の破損を防止することができる。

本発明によれば、発電に寄与する部分における電解質膜の破損を防止するホットプレス用治具を提供することを課題とする。

本発明に係るホットプレス用治具を用いた転写装置の実施形態を示す正面断面図である。 本実施形態に係る治具本体部の平面図である。 本実施形態に係るホットプレス用治具を用いた転写装置の使用状態を示す正面断面図である。 他の実施形態に係る治具本体部の正面断面図（ａ）及び治具本体部を下面から見た底面図（ｂ）である。 他の実施形態に係る治具本体部の正面断面図（ａ）及び治具本体部を下面から見た底面図（ｂ）である。 他の実施形態に係るホットプレス用治具を用いた転写装置の使用状態を示す正面断面図である。 他の実施形態に係るホットプレス用治具を用いた転写装置の使用状態を示す正面断面図である。

以下、本発明に係る転写装置及びホットプレス用治具の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るホットプレス用治具を用いた転写装置の正面断面図、図２は治具本体部を上面から見た平面図である。

図１に示すように、転写装置１０は、上下に配置され、互いに近接及び離間可能な一対の熱盤Ａと、この一対の熱盤Ａ間に設置されたホットプレス用治具１と、を備えている。熱盤Ａは、内部に熱媒が流れる等公知の方法で加熱されるように構成されている。ホットプレス用治具１は、一対の板状の治具本体部２と、治具本体部２間に設置された２つの棒状部材３と、各棒状部材３に対して摺動可能に取り付けられた間隙距離規制部材４とを備えており、使用時、ホットプレスの一対の熱盤Ａ間に設置されている。この各治具本体部２間に、電解質膜（被転写物）８及び２つの転写シート９が配置されている。なお、各転写シート９は、基材シート９１と、基材シート９１上に形成された触媒層９２とを有している。電解質膜８は２つの転写シート９によって挟持されるように配置されており、各転写シート９は触媒層９２が電解質膜８側を向くように配置されている。

治具本体部２は、図１及び図２に示すように、平面視矩形状に形成された板状の転写部２１と、転写部２１を囲むように枠状に形成された非転写部２２とを有しており、左端部及び右端部に貫通孔２３がそれぞれ形成されている。転写部２１は、対象となる触媒層９２よりも一回り小さい面積であって、触媒層９２の中央部９２１と対応するような面積を有している。この面積は、電解質膜８に対して転写したい触媒層９２の面積と同じである。また、転写部２１は熱盤Ａの熱を転写シート９に伝えるような材質で形成されており、好ましい熱伝導率は１５Ｗ／ｍＫ以上である。このように転写部２１の熱伝導率を１５Ｗ／ｍＫ以上とすることで触媒層９２を効率的に電解質膜８に対して転写することができる。なお、転写部２１は、具体的には、例えば、ステンレス鋼等の鉄鋼材料や、非鉄金属材料の様なアルミニウム材料、黄銅材料、チタン材料等の非鉄金属材料によって形成することができ、好ましくは高力アルミによって転写部２１を形成することができる。

非転写部２２は、基材シート９１を介して触媒層９２の外周縁部９２２と対向するように形成されている。この非転写部２２は、熱盤Ａの熱を転写シート９には伝えないような材質で形成されており、好ましい熱伝導率は０．１Ｗ／ｍＫ以下である。また、非転写部２２は弾性体によって形成されていることがさらに好ましい。具体的には、ガラスウール等によって非転写部２２を形成することができる。

各棒状部材３は、棒状の部材から構成されており、上端部が上側に配置された治具本体部２の凹部２３内に挿入され、下端部が下側に配置された治具本体部２の凹部２３内に挿入されている。この棒状部材３に沿って、治具本体部２は上下方向に移動するため、各治具本体部２は互いに対して水平方向に位置がずれることが防止されている。

間隙距離規制部材４は、中央に貫通孔４１が形成された柱状の部材であって、貫通孔４１内を上述した棒状部材３が延びており、棒状部材３に対して摺動可能に設置されている。この間隙距離規制部材４は、好ましくは高力アルミから構成されている。なお、間隙距離規制部材４の厚さｔは、具体的には各治具本体部２間に挟持されたものの厚さ（本実施形態では、電解質膜８の厚さと２つの転写シート９の厚さとを合計した厚さ）よりも電解質膜８の厚さの約１０％だけ薄くなるように形成されている。

以上のように構成されたホットプレス用治具１を用いた転写装置１０の使用方法について図面を参照しつつ説明する。

まず、図１に示すように、熱盤Ａ間にホットプレス用治具１を設置し、治具１の各治具本体部２間に電解質膜８及び転写シート９を挿入する。より詳細には、２つの転写シート９で電解質膜８を挟むように配置し、各転写シート９の触媒層９２が電解質膜８を向くように配置する。なお、先に電解質膜８及び転写シート９を治具本体部２間に挿入してから治具１を熱盤Ａ間に設置してもよい。

次に、図３に示すように、内部に熱媒が流れる等して加熱された上側の熱盤Ａを下降させ、同様に加熱された下側の熱盤Ａを上昇させる。この熱盤Ａの移動に伴い、各治具本体部２が同様に移動して転写シート９及び電解質膜８に対して加熱加圧する。このとき、治具本体部２の転写部２１のみから熱盤Ａの熱が転写シート９に加えられ、非転写部２２からは熱盤Ａの熱が加えられないため、触媒層９２の中央部９２１のみが電解質膜８に転写され、非転写部２２に対応する触媒層９２の外周縁部９２２は電解質膜８に転写されない。また、間隙距離規制部材４が間に介在しているため、各治具本体部２間の間隙距離は、間隙距離規制部材４の厚さｔよりも小さくなることはない。なお、このときの熱盤Ａの温度は８０〜２００℃としさらに好ましくは１００〜１６０℃、プレス時間は３０秒〜１５分としさらに好ましくは、２分とする。

続いて、上側の熱盤Ａを上昇させるとともに下側の熱盤Ａを下降させて、電解質膜８及びこれに接合した転写シート９をホットプレス用治具１から取り出す。そして、転写シート９の基材シート９１を剥離することで電解質膜８の両面に触媒層９２が形成された、いわゆる膜触媒層接合体が形成される。

上記実施形態によると、電解質膜８の食い込みが発生する可能性のある部分は触媒層９２の外周縁部９２２のエッジと対向する部分８１（図３参照）である。しかし、上記実施形態では、電解質膜８に転写される触媒層９２は中央部９２１のみであり、触媒層９２の外周縁部９２２は電解質膜８には転写されない。このように、上記電解質膜の食い込みが発生する可能性のある部分８１は発電に寄与する部分ではないため、発電に寄与する部分においては電解質膜８への食い込みを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、転写部２１が基材シート９１を介して触媒層９２の中央部９２１と対向し、非転写部２２が基材シート９１を介して触媒層９２の外周縁部９２２と対向するような形状であれば、転写部２１及び非転写部２２の形状は特に限定されるものではない。例えば、図４に示すように、転写部２１が板状の上層部２１１と、上層部２１１の中央から下方へ突出した下層部２１２を有し、この下層部２１２の周りを囲むように枠状の非転写部２２が形成されていてもよい。また、その他にも、例えば図５に示すように、転写部２１に枠状の溝を形成し、その溝内に非転写部２２を設けることもできる。

また、各治具本体部２は、棒状部材３によって位置決めされているが、この棒状部材３自体を伸縮自在に構成することもできる。例としては、一方を中空状の被摺動部３１とし、他方を被摺動部３１内を摺動する摺動部３２とした棒状部材３を挙げることができる。これにより、例えば、図６に示すように、治具本体部２よりも熱盤Ａの方が大きい場合に、治具本体部２の上面及び下面から棒状部材３の両端部が突出して熱盤Ａと干渉することを防止することができる（図６（ｂ）参照）。なお、この棒状部材３は、治具本体部２間の間隙距離が、電解質膜８の厚さと２つの転写シート９の厚さとを合計した厚さより電解質膜８の厚さの約１０％だけ薄くなったときに、被摺動部３２の先端が治具本体部２に当接するような長さとなっている。これにより、触媒層が電解質膜８に必要以上に食い込むことを防止することができる。また、図７に示したように、被摺動部３１内に間隙距離規制部材４を設置して、治具本体部２間の間隙距離が上述した距離になったときに、摺動部材３２の先端が間隙距離規制部材４と当接し、治具本体部２間の間隙距離がそれ以上狭くならないようにすることもできる。また、さらには、各治具本体部２の位置決め手段は、棒状部材３に限定されるものではなく、例えば、熱盤Ａに治具本体部２を取り付ける取付部を形成することによって、各治具本体部２の位置を決定することもできる。

また、上記実施形態では、所定の厚さｔを有する間隙距離規制部材４を使用しているが、各治具本体部２間の最小間隙距離を規制するための手段としては、特にこれに限定されるものではない。例えば、上述した伸縮自在の棒状部材３を使用し、この棒状部材３の最小の長さを規制することで、各治具本体部２間の最小間隙距離を規制することができる。

また、上記実施形態の棒状部材３及び間隙距離規制部材４のどちらか一方又は両方を省略することもできる。

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１として、図１に示すようなホットプレス用治具１を使用した。より詳細には、まず、治具本体部２は、転写部２１を日本軽金属製高力アルミ合金（2017）（厚さ１０mm、サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ）とし、非転写部２２を旭ファイバーグラス製ホワイトウール（厚さ１０mm、サイズ１００mm×１００mm）とし、これを２つ準備した。また、これら治具本体部２間の距離が１６０μｍとなるよう、間隙距離規制部材４にて調整した。

上記治具本体部２間に、電解質膜８と、この電解質膜８を挟むよう転写シート９を配置した。電解質膜８は、Ｄｕｐｏｎｔ製電解質膜Ｎ２１２（厚み５０μｍ、サイズ７５ｍｍ×７５ｍｍ）を使用した。転写シート９は、基材シート９１として東レ製ポリエステルフィルムＳ１０（厚み３８μｍ）を使用した。そして、この基材シート９１上に、田中貴金属製燃料電池用白金触媒TEC10E50EおよびDupont製パーフルオロ系電解質樹脂Ｎａｆｉｏｎ５２０を用いて触媒：樹脂＝２：１になるように作製された触媒層（厚み２０μｍ）を形成し、５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズの転写シート９とした。

そして、転写部間の温度を１２０℃、圧力を２０ｋｇｆ／ｃｍ^２として３０秒間熱プレスを行い、電解質膜８に触媒層９２を転写した。転写部２１に対応する部分の触媒層９２の中央部９２１のみが転写し、非転写部２２に対応する触媒層９２の外周縁部９２２の転写が無かった。このため、発電に寄与する部分において電解質膜８への食い込みがない触媒層−電解質膜積層体を作製できた。

（実施例２）
実施例２として、転写部２１の材質のみを変更し、その他は実施例１と同様とした、なお、転写部２１の材質として、ＳＵＳ３０４を使用した。この実施例２では、実施例１と同様に、転写部２１に対応する部分の触媒層９２の中央部９２１のみが転写し、非転写部２２に対応する触媒層９２の外周縁部９２２の転写が無かった。このため、発電に寄与する部分において電解質膜８への食い込みがない触媒層−電解質膜積層体を作製できた。

（比較例１）
比較例１として、治具本体部２の非転写部２２の材質のみを変更し、その他は実施例１と同様とした。なお、非転写部２２の材質として、日本軽金属製高力アルミ合金（2017）を用いた。この比較例１では、触媒層９２の外周縁部９２２も電解質膜８へ転写され、この結果、発電に寄与する部分において電解質膜８への食い込みが発生した。

（比較例２）
比較例２として、治具本体部２の非転写部２２の材質のみを変更し、その他は実施例１と同様とした。なお、非転写部２２の材質として、ＳＵＳ３０４を用いた。この比較例２では、比較例１と同様に、発電に寄与する部分において電解質膜８への食い込みが発生した。

（比較例３）
比較例３として、治具本体部２の非転写部２２の材質のみを変更し、その他は実施例１と同様とした。なお、非転写部２２の材質として、信越ファインテック製シリコフォームを用いた。この比較例３でも、実施例１と同様に、発電に寄与する部分において電解質膜８への食い込みが発生した。

以上の結果を表1に示した。

１ ホットプレス用治具
２ 治具本体部
３ 棒状部材（位置決め手段）
４ 間隙規制部材（間隙規制手段）
８ 電解質膜（被転写物）
９ 転写シート
９２ 触媒層
Ａ 熱盤

Claims (9)

1. 一対の熱盤によって基材シート及び基材シート上に形成された触媒層を有する転写シートと被転写物とを挟持し、転写シートに熱及び圧力を加えて転写シートの触媒層を被転写物に転写するホットプレスに用いられるホットプレス用治具であって、
   使用時に、転写シート及び被転写物を挟持する一対の治具本体部を備え、前記各治具本体部は、
   使用時に、基材シートを介して触媒層の中央部と対向し、熱盤の熱を触媒層の中央部に伝える転写部と、
   前記転写部を囲うように形成され、使用時に、基材シートを介して触媒層の外周縁部と対向し、熱盤の熱を触媒層の外周縁部に伝えない非転写部と、を有している、ホットプレス用治具。
2. 基材シート及び転写シートへの加圧方向と垂直方向における前記各治具本体部の位置を決定する位置決め手段をさらに備えた、請求項１に記載のホットプレス用治具。
3. 前記各治具本体部は、対向する位置に凹部が形成されており、
   前記位置決め手段は、前記各治具本体部の凹部に両端部が挿入された棒状部材である、請求項２に記載のホットプレス用治具。
4. 前記棒状部材は、伸縮自在に構成されている、請求項３に記載のホットプレス用治具。
5. 前記転写部は、前記非転写部よりも高い熱伝導率を有している、請求項１〜４のいずれかに記載のホットプレス用治具。
6. 前記非転写部は、弾性体から構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のホットプレス用治具。
7. 前記各治具本体部間の最小間隙距離を規制する間隙距離規制手段をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載のホットプレス用治具。
8. 前記間隙距離規制手段は、前記各治具本体部間に設置された、所定の厚さを有する間隙距離規制部材である、請求項７に記載のホットプレス用治具。
9. 基材シート及び基材シート上に形成された触媒層を有する転写シートと被転写物とを挟持して、被転写物に触媒層を転写する転写装置であって、
   互いに近接及び離間可能な一対の熱盤と、
   前記熱盤の間に配置され、使用時に転写シート及び被転写物を挟持する一対の治具本体部と、を備え、前記治具本体部は、
   使用時に、基材シートを介して触媒層の中央部と対向し、前記熱盤の熱を触媒層の中央部に伝える転写部と、
   前記転写部を囲うように形成され、使用時に、基材シートを介して触媒層の外周縁部と対向し、前記熱盤の熱を触媒層の外周縁部に伝えない非転写部と、を有している、転写装置。

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