JP2017004809A - 電極層製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の形状を有する電極層を簡単且つ確実に形成することを可能にする。
【解決手段】電極層製造方法では、基材ウエブ６０に、粘着フィルム６２上に位置して電極膜６４を連続塗工する。そして、基材ウエブ６０に、粘着フィルム６２まで切り込んで電極層形状部６４ａが形成されるとともに、互いに隣り合う前記電極層形状部６４ａ間に亘って分離部６４ｂ、６４ｃが形成される。次いで、電極層形状部６４ａ以外の電極膜６４及び粘着フィルム６２が、基材ウエブ６０から剥離されることにより、電極層形状部６４ａに沿って電極層６４ｓが得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用電極を構成する電極層を製造するための電極層製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルが構成されている。通常、発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

通常、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の各面に設けられる電極触媒層（電極層）と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有している。電極触媒層は、例えば、白金粒子等の金属粒子を担持した触媒担体（カーボンブラック等）がイオン導電性バインダを介して結合一体化されて構成されている。一方、ガス拡散層は、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロスから形成されている。

電極触媒層の製造には、通常、触媒物質と電解質と溶剤とを含む電極インクが用いられ、前記電極インクが乾燥されることにより電極触媒層が形成される。この電極触媒層が固体高分子電解質膜に積層されることにより、膜・触媒層構造体（ＣＣＭ）（Ｃａｔａｌｙｓｔ・Ｃｏａｔｅｄ・Ｍｅｍｂｒａｎｅ）が製造される。

上記の電極触媒層を製造する方法として、例えば、特許文献１に開示されているマスキング法が知られている。このマスキング法では、図５に示すように、触媒層１が、マスキングフィルム２上から電解質膜３に塗布して形成される。次いで、マスキングフィルム２が電解質膜３から剥離されることにより、前記電解質膜３の触媒不要部分に位置するマスキングフィルム面に付着している触媒１ａは、前記マスキングフィルム２と一体に前記電解質膜３から除去される。

特開２０１０−１１９９６７号公報

また、特許文献１に記載の方法とは異なる方法が知られている。この方法では、電極触媒層が一旦転写基材上に形成されており、その後、固体高分子電解質膜と前記転写基材上の前記電極触媒層が対面するように、該固体高分子電解質膜と該転写基材とが重ね合わされる。この状態で、加熱及び加圧処理することにより、電極触媒層を固体高分子電解質膜に転写してＣＣＭが製造される。

このように、固体高分子電解質膜に転写を行うための電極触媒層の形成方法として、以下の方法が考えられる。この方法では、先ず、基材ウエブ上に離型層を介して粘着フィルムが積層された転写基材の前記粘着フィルムの表面全体に電極インクを塗工する。次いで、電極インクを乾燥させた後、所定の形状の電極触媒層を形成するために乾燥した電極インクと粘着フィルムに対して半抜き加工を行う。その後、不要部分の電極インクを粘着フィルムとともに除去する。

ところが、図６に示すように、上記のような転写法用の電極触媒層の形成方法において、粘着フィルム６の不要部を基材ウエブ７から剥離する際、前記粘着フィルムの両側不要部６ａ、６ａが、端部不要部６ｂよりも先行して剥がされる場合がある。その際、粘着フィルム６の端部不要部６ｂの中央部位８でＶ字状に剥離されるおそれがある。このため、中央部位８に応力が集中してしまい、触媒層５や基材ウエブ７の表面の離型層が荒れたり、欠けたりする等の問題がある。

このように、触媒層５や離型層が荒れたり、欠けたりすると、固体高分子電解質膜に触媒層５を転写する際、これらの荒れや欠けによって前記固体高分子電解質膜に当該部分が食い込み、ダメージを与えるおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、所望の形状を有する電極層を簡単且つ確実に形成することが可能な電極層製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池用電極を構成する電極層を製造するための電極層製造方法に関するものである。この電極層製造方法では、基材層に剥離層が設けられた基材ウエブに、前記剥離層上に位置して電極膜を連続塗工している。そして、基材ウエブに、剥離層まで切り込んで電極層の形状に設定された電極層形状部を形成するとともに、互いに隣り合う前記電極層形状部間に亘って前記剥離層まで切り込んで分離部を形成している。次いで、電極層形状部以外の電極膜及び剥離層を、基材ウエブから剥離することにより、電極層形状部に沿って電極層を得ている。

本発明によれば、基材ウエブには、電極層形状部が形成されるとともに、互いに隣り合う前記電極層形状部間に亘って剥離層まで切り込んで分離部が形成されている。このため、剥離層を基材ウエブから剥離する際、電極層形状部以外の部分を容易に剥離することができる。しかも、電極層形状部間には、分離部が設けられているため、前記電極層形状部間で剥離層に張力が発生することを、確実に阻止することが可能になる。

従って、剥離層は、電極層形状部間でＶ字状に剥離することによる応力集中が抑制され、電極層や離型層に荒れや欠け等が発生することを有効に阻止することができる。これにより、所望の形状を有する電極層を簡単且つ確実に形成するとともに、固体高分子電解質膜へのダメージを防止することが可能になる。

本発明に係る電極層製造方法が適用される発電セルの要部分解斜視図である。 前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記電極層製造方法を実施するための製造システムの概略構成を示す斜視説明図である。 前記製造システムの概略平面説明図である。 特許文献１に開示されているマスキング法の説明図である。 転写法用の電極触媒層を形成する他の方法の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る電極層製造方法が適用される発電セル１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。燃料電池スタック１２は、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される車載型燃料電池スタックである。

発電セル１０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４をカソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８により挟持する。図１に示すように、発電セル１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔２０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔２２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板で構成される。カソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８は、金属材料に代えて、例えば、カーボン部材等で構成してもよい。

カソードセパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路２６が設けられる。アノードセパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路２８が設けられる。カソードセパレータ１６とアノードセパレータ１８とは、互いに対向する面１６ｂ、１８ｂ間に冷却媒体流路３０を一体的に形成する。

カソードセパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソードセパレータ１６の外周縁部を周回して第１シール部材３２が一体的又は個別に設けられる。アノードセパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノードセパレータ１８の外周縁部を周回して第２シール部材３４が一体的又は個別に設けられる。

第１シール部材３２及び第２シール部材３４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード電極３８及びアノード電極４０とを備える。固体高分子電解質膜３６は、カソード電極３８及びアノード電極４０の外周端部よりも外方に突出する。

図１に示すように、固体高分子電解質膜３６には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂが形成される。

図２に示すように、カソード電極３８は、固体高分子電解質膜３６の一方の面３６ａに形成されるカソード電極触媒層（電極層）３８ａと、前記カソード電極触媒層３８ａに固着されるカソードガス拡散層３８ｂとを有する。アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３６の他方の面３６ｂに形成されるアノード電極触媒層（電極層）４０ａと、前記アノード電極触媒層４０ａに固着されるアノードガス拡散層４０ｂとを有する。

カソード電極触媒層３８ａ及びアノード電極触媒層４０ａは、例えば、白金粒子等の触媒を担持した触媒担体（カーボンブラック等）がイオン導電性バインダを介して結合一体化されることにより形成される。カソード電極触媒層３８ａの平面寸法とアノード電極触媒層４０ａの平面寸法とは、同一寸法であってもよく、また、互いに異なる寸法であってもよい。

カソードガス拡散層３８ｂ及びアノードガス拡散層４０ｂは、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロス等から構成される。カソードガス拡散層３８ｂの平面寸法とアノードガス拡散層４０ｂの平面寸法とは、同一寸法であってもよく、また、互いに異なる寸法であってもよい。

次に、本発明の電極層製造方法について、以下に説明する。

先ず、図３には、電極層製造方法を実施するための製造システム５０が示される。製造システム５０は、矢印Ｌ方向に延在する搬送ライン５２を備え、前記搬送ライン５２には、矢印Ｌ方向に沿って、塗工装置５４、トリミング装置５６及び剥離装置５８が、順次、配置される。なお、塗工装置５４とトリミング装置５６との間には、必要に応じて加熱装置（乾燥装置）を配置してもよい。

搬送ライン５２は、複数の搬送ローラ５２ａを備えるとともに、前記搬送ライン５２には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の長尺シートからなる基材ウエブ（ベース基材）６０が投入される。基材ウエブ６０には、離型層６０ａが設けられるとともに、前記離型層６０ａ上には、粘着フィルム（剥離層）６２が貼り付けられる。粘着フィルム６２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）製の長尺シートからなる。

塗工装置５４は、例えば、図示しない塗工機（コーター）を備える。塗工装置５４は、基材ウエブ６０に、粘着フィルム６２上に位置して電極膜６４を連続塗工する。電極膜６４は、触媒層用ペーストがブレード（又はダイ）の移動により塗布されて形成される。なお、塗工方法としては、ダイコーターやブレードコーターの他に、スクリーン印刷やインクジェット等を用いてもよい。

触媒層用ペーストは、白金粒子等の触媒粒子を担持した触媒担体（カーボンブラック等）粒子が添加された溶媒に対し、イオン導電性高分子バインダとなるポリマー溶液を混合することによって、調製することができる。触媒層用ペーストは、触媒粒子（白金粒子等）が所定の触媒塗布量となるように塗布される。

図４に示すように、トリミング装置５６は、カソード電極触媒層３８ａ又はアノード電極触媒層４０ａ（以下、単に電極層６４ｓともいう）の形状に設定された電極層形状部６４ａを形成するトリミング刃６６を備える。トリミング刃６６は、電極層６４ｓの外形形状に沿って長方形状に且つ断続的に、前記電極層６４ｓから粘着フィルム６２まで切り込む。

トリミング刃６６の前方側短辺及び後方側短辺には、互いに隣り合う電極層形状部６４ａ間に亘って電極層６４ｓから粘着フィルム６２まで切り込んで分離部６４ｂ、６４ｃを形成するトリミング刃６６ａ、６６ｂが設けられる。トリミング刃６６ａ、６６ｂは、トリミング刃６６に対し略ハの字状に設けられる。前方の電極層形状部６４ａに設けられる分離部６４ｂと、後方の電極層形状部６４ａに設けられる分離部６４ｃとは、互いに交差して形成される。

図３に示すように、剥離装置５８は、剥離ローラ対６８を備える。剥離ローラ対６８は、電極層形状部６４ａ以外の電極膜６４及び粘着フィルム６２を、基材ウエブ６０から剥離する。剥離装置５８の下流には、電極層形状部６４ａに倣って電極層６４ｓが形成される。

このように構成される製造システム５０により電極層６４ｓを製造する作業について、以下に説明する。

搬送ライン５２には、粘着フィルム６２が設けられた基材ウエブ６０が投入されることにより、前記基材ウエブ６０は、前記搬送ライン５２に沿って矢印Ｌ方向に連続的又は間欠的に搬送される。基材ウエブ６０は、塗工装置５４に搬送されると、図示しない塗工機により、基材ウエブ６０の粘着フィルム６２上には、電極膜６４が連続塗工される。

電極膜６４が塗工された基材ウエブ６０は、トリミング装置５６に搬入される。トリミング装置５６では、図４に示すように、トリミング刃６６により、電極膜６４から粘着フィルム６２まで切り込んで電極層６４ｓの形状に設定された電極層形状部６４ａが形成される。

一方、トリミング刃６６ａ、６６ｂにより、互いに隣り合う電極層形状部６４ａ間に亘って、電極層６４ｓから粘着フィルム６２まで切り込んで分離部６４ｂ、６４ｃが形成される。その際、前方の電極層形状部６４ａに設けられる分離部６４ｂと、後方の電極層形状部６４ａに設けられる分離部６４ｃとは、互いに交差するとともに、それぞれの先端部は前記電極層形状部６４ａから離間する。

トリミング装置５６から搬出された基材ウエブ６０は、剥離装置５８に送られる。剥離装置５８では、図３に示すように、剥離ローラ対６８により、電極層形状部６４ａ以外の電極膜６４及び粘着フィルム６２が、基材ウエブ６０から剥離される。従って、剥離装置５８の下流には、電極層形状部６４ａに倣って電極層６４ｓが形成される。

上記のように個別に形成された各電極層６４ｓは、カソード電極触媒層３８ａ又はアノード電極触媒層４０ａとして、固体高分子電解質膜３６の面３６ａ又は３６ｂに熱転写（ホットプレス）される。

さらに、カソード電極触媒層３８ａには、カソードガス拡散層３８ｂが加熱及び加圧処理により一体化される。また、アノード電極触媒層４０ａには、アノードガス拡散層４０ｂが加熱及び加圧処理により一体化される。これにより、電解質膜・電極構造体１４が製造される（図２参照）。

この場合、本実施形態では、基材ウエブ６０には、電極層形状部６４ａが形成されるとともに、互いに隣り合う前記電極層形状部６４ａ間に亘って粘着フィルム６２まで切り込んで分離部６４ｂ、６４ｃが形成されている。このため、粘着フィルム６２を基材ウエブ６０から剥離する際、電極層形状部６４ａ以外の部分を容易に剥離することができる。しかも、電極層形状部６４ａ間には、分離部６４ｂ、６４ｃが設けられているため、前記電極層形状部６４ａ間で粘着フィルム６２に張力が発生することを、確実に阻止することが可能になる。

従って、粘着フィルム６２は、電極層形状部６４ａ間でＶ字状に剥離することによる応力集中が抑制され、電極層６４ｓに荒れや欠け等が発生することを有効に阻止することができる。しかも、離型層６０ａの一部が粘着フィルム６２とともに基材ウエブ６０から剥離される等により、前記離型層６０ａに荒れや欠け等が発生することを有効に阻止することができる。これにより、所望の形状を有する電極層６４ｓを簡単且つ確実に形成することが可能になるという効果が得られる。

次いで、このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａからカソードセパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極３８に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａからアノードセパレータ１８の燃料ガス流路２８に導入される。この燃料ガス流路２８では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層３８ａ及びアノード電極触媒層４０ａ内で電気化学反応により消費される。これにより、発電セル１０の発電が行われる。

次いで、カソード電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ１６とアノードセパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路３０に導入される。この冷却媒体流路３０では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４の発電面全面に亘って冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

１０…発電セル １２…燃料電池スタック
１４…電解質膜・電極構造体 １６…カソードセパレータ
１８…アノードセパレータ ２６…酸化剤ガス流路
２８…燃料ガス流路 ３０…冷却媒体流路
３６…固体高分子電解質膜 ３８…カソード電極
３８ａ…カソード電極触媒層 ３８ｂ…カソードガス拡散層
４０…アノード電極 ４０ａ…アノード電極触媒層
４０ｂ…アノードガス拡散層 ５０…製造システム
５２…搬送ライン ５４…塗工装置
５６…トリミング装置 ５８…剥離装置
６０…基材ウエブ ６０ａ…離型層
６２…粘着フィルム ６４…電極膜
６４ａ…電極層形状部 ６４ｂ、６４ｃ…分離部
６４ｓ…電極層 ６６、６６ａ、６６ｂ…トリミング刃
６８…剥離ローラ対

Claims (1)

1. 燃料電池用電極を構成する電極層を製造するための電極層製造方法であって、
   基材層に剥離層が設けられた基材ウエブに、前記剥離層上に位置して電極膜を連続塗工する工程と、
   前記基材ウエブに、前記剥離層まで切り込んで前記電極層の形状に設定された電極層形状部を形成するとともに、互いに隣り合う前記電極層形状部間に亘って前記剥離層まで切り込んで分離部を形成する工程と、
   前記電極層形状部以外の前記電極膜及び前記剥離層を、前記基材ウエブから剥離することにより、前記電極層形状部に沿って前記電極層を得る工程と、
   を有することを特徴とする電極層製造方法。

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