JP2017027724A - Coating device, membrane electrode assembly, fuel cell stack, polymer electrolyte fuel cell, and coating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の電極触媒層を形成する塗工装置、膜電極接合体、燃料電池スタック、固体高分子型燃料電池、及び塗工方法に関する。 The present invention relates to a coating apparatus for forming an electrode catalyst layer of a fuel cell, a membrane electrode assembly, a fuel cell stack, a polymer electrolyte fuel cell, and a coating method.
近年、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素等の燃料を酸素等の酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、高分子形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池等に分類される。高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、また、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源等への応用が期待されている。
高分子形燃料電池(PEFC)の膜電極接合体は、高分子電解質膜を、2つの電極触媒層(アノード極、カソード極)とで挟み込んだ構造となっている。そして、アノード極側に水素(燃料)を含む燃料ガスを供給し、カソード極側に酸素(酸化剤)を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応(反応1、反応2)により発電する。
In recent years, fuel cells have attracted attention. A fuel cell is a cell that oxidizes a fuel such as hydrogen using an oxidant such as oxygen and converts chemical energy associated therewith into electrical energy.
Fuel cells are classified into alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, polymer fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte. Polymer fuel cells (PEFC) operate at low temperatures, have high power density, and can be reduced in size and weight, making them applicable to portable power sources, household power sources, in-vehicle power sources, etc. Expected.
A membrane electrode assembly of a polymer fuel cell (PEFC) has a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrode catalyst layers (an anode electrode and a cathode electrode). Then, by supplying a fuel gas containing hydrogen (fuel) on the anode side and an oxidant gas containing oxygen (oxidant) on the cathode side, the following electrochemical reaction (reaction 1, reaction 2) To generate electricity.
アノード極:H2 → 2H+ + 2e- ・・・(反応1)
カソード極:1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O ・・・(反応2)
アノード極(電極触媒層)に供給された燃料ガスは、プロトンと電子となる(反応1)。プロトンは、アノード極(電極触媒層)内の高分子電解質、高分子電解質膜を通り、カソード極に移動する。電子は、外部回路を通り、カソード極(電極触媒層)に移動する。カソード極(電極触媒層)では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスと反応して水を生成する(反応2)。その際、電子が外部回路を通ることにより発電する。
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e- (Reaction 1)
Cathode electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e- → H 2 O (Reaction 2)
The fuel gas supplied to the anode electrode (electrode catalyst layer) becomes protons and electrons (reaction 1). Protons move to the cathode electrode through the polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane in the anode electrode (electrode catalyst layer). The electrons pass through the external circuit and move to the cathode electrode (electrode catalyst layer). At the cathode (electrode catalyst layer), protons and electrons react with oxidant gas supplied from the outside to generate water (reaction 2). At that time, electricity is generated by electrons passing through an external circuit.
ここで、膜電極接合体の製造方法としては、触媒を担持した炭素粒子と、高分子電解質と、溶媒とからなる触媒インクを作製し、触媒インクを高分子電解質膜(広義の「基材フィルム」)に直接塗工して作製する方法や、触媒インクを電極転写基材(広義の「基材フィルム」)に塗工した後、高分子電解質膜に熱圧着して作製する方法が知られている。触媒インクを高分子電解質膜に直接塗工する場合、塗工方法にはダイ塗工を用いる場合が多く、アノード極(電極触媒層)とカソード極(電極触媒層)とのそれぞれを形成する。触媒インクの塗工後は、減圧乾燥や焼成によって電極触媒層中の溶剤を十分に除去する。 Here, as a method for producing a membrane electrode assembly, a catalyst ink comprising a catalyst-supported carbon particle, a polymer electrolyte, and a solvent is prepared, and the catalyst ink is used as a polymer electrolyte membrane (in a broad sense, “base film” )), Or a method of applying a catalyst ink to an electrode transfer substrate (broadly defined “substrate film”) and then thermocompression-bonding to a polymer electrolyte membrane. ing. When the catalyst ink is directly applied to the polymer electrolyte membrane, die coating is often used as the coating method, and each of the anode electrode (electrode catalyst layer) and the cathode electrode (electrode catalyst layer) is formed. After the application of the catalyst ink, the solvent in the electrode catalyst layer is sufficiently removed by drying under reduced pressure or baking.
いずれの方法を採用した場合でも、触媒インクの塗工に起因する欠陥が発電性能に影響を及ぼすことが多い。例えば、ピンホールやクラック、凝集体、混入異物等である。
例えば、アノード極やカソード極(電極触媒層)にピンホールやクラックが発生すると、高分子電解質膜が露出されるため、発電時における耐久性が低下する原因となる。また、例えば、凝集体や混入異物が発生すると、高さ方向の突起を生じるため、膜電極接合体をスタックした際に高分子電解質膜を損傷し、発電性能自体が低下する原因となる。
これらのうち、凝集体や混入異物に関しては、フィルタリングによって除去することが可能であるが、ピンホールやクラックについては、アノード極やカソード極(電極触媒層)の膜厚や乾燥条件、触媒インクの組成等も影響するため改善は比較的困難である。特にクラックやピンホールの発生に影響を及ぼす因子として、電極触媒層の膜厚が挙げられる。厚膜の場合、乾燥時にクラックやピンホールが発生しやすいことがこれまでも報告されている。発電性能を向上させるために白金を多く担持する必要があるが、厚膜化によりクラックやピンホールが多量に発生するために、担持できる量が制限される場合もある。
Regardless of which method is employed, defects due to the application of the catalyst ink often affect the power generation performance. For example, pinholes, cracks, aggregates, mixed foreign matters, and the like.
For example, if pinholes or cracks occur in the anode electrode or cathode electrode (electrode catalyst layer), the polymer electrolyte membrane is exposed, which causes a decrease in durability during power generation. In addition, for example, when an aggregate or a mixed foreign matter is generated, a projection in the height direction is generated. Therefore, when the membrane electrode assembly is stacked, the polymer electrolyte membrane is damaged, and the power generation performance itself is reduced.
Among these, aggregates and contaminants can be removed by filtering, but pinholes and cracks can be removed by the film thickness and drying conditions of the anode and cathode (electrode catalyst layer), the catalyst ink Improvement is relatively difficult due to the influence of the composition and the like. In particular, a factor affecting the generation of cracks and pinholes is the film thickness of the electrode catalyst layer. In the case of thick films, it has been reported that cracks and pinholes are likely to occur during drying. In order to improve the power generation performance, it is necessary to carry a large amount of platinum. However, since a large amount of cracks and pinholes are generated by increasing the film thickness, the amount that can be carried may be limited.
また、クラックやピンホールの発生を抑制する方法としては、例えば、塗工ステージを加温する方法が報告されている。これにより、加温した塗工ステージに基材フィルム(例えば、電極転写基材、高分子電解質膜)を設置することで、基材フィルム(電極転写基材、高分子電解質膜)の温度を上昇させて、基材フィルム上に触媒インクを塗工する。
しかしながら、塗工ステージを加温する方法は、塗工装置の仕様として一般的ではない。また、加温することで塗工ステージが膨張するため、ダイ塗工における塗布ギャップに影響したり、塗工ステージの固定部分の劣化につながる等の問題を生じる可能性がある。
Moreover, as a method for suppressing the occurrence of cracks and pinholes, for example, a method for heating a coating stage has been reported. This increases the temperature of the substrate film (electrode transfer substrate, polymer electrolyte membrane) by placing the substrate film (eg, electrode transfer substrate, polymer electrolyte membrane) on the heated coating stage. Then, the catalyst ink is applied onto the base film.
However, the method of heating the coating stage is not common as the specification of the coating apparatus. Moreover, since the coating stage expands by heating, there is a possibility that problems such as an influence on the coating gap in die coating and deterioration of the fixed portion of the coating stage may occur.
本発明は、上記のような点に着目し、塗工ステージを加温することなく、塗工時に発生するクラックやピンホールを抑制可能な塗工装置、触媒層、膜電極接合体、燃料電池スタック、固体高分子型燃料電池、及び塗工方法を提供することを目的とする。 The present invention pays attention to the above points, and a coating apparatus, a catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that can suppress cracks and pinholes that occur during coating without heating the coating stage. An object is to provide a stack, a polymer electrolyte fuel cell, and a coating method.
上記課題を解決するために、本発明の一態様の塗工装置は、導電性粒子と電極触媒粒子とを含む複合粒子と、高分子電解質と、溶媒とを含む触媒インクを、ダイヘッドを使用して基材フィルムに塗工する塗工装置であって、触媒インクを収容する容器と、容器が収容している触媒インクを加温するヒーターと、ヒーターが加温した触媒インクを容器とダイヘッドとの間で循環させる循環機構とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a coating apparatus according to one embodiment of the present invention uses a die head for a catalyst ink including composite particles including conductive particles and electrode catalyst particles, a polymer electrolyte, and a solvent. A coating apparatus for coating the base film, a container for storing the catalyst ink, a heater for heating the catalyst ink stored in the container, the catalyst ink heated by the heater, the container and the die head And a circulation mechanism that circulates between the two.
本発明の一態様によれば、加温した触媒インクを容器とダイヘッドとの間で循環させるため、ダイヘッドから吐出される触媒インクの温度をより適切に上昇でき、例えば、塗工ステージを加温することなく、塗工時に発生するクラックやピンホールを抑制できる。 According to one aspect of the present invention, since the heated catalyst ink is circulated between the container and the die head, the temperature of the catalyst ink discharged from the die head can be increased more appropriately, for example, the coating stage is heated. Without cracking, cracks and pinholes that occur during coating can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
(膜電極接合体50の構成)
図1に示すように、本実施形態に係る膜電極接合体50は、高分子電解質膜3を、2つの電極触媒層(以下、「アノード極1」「カソード極2」とも呼ぶ)で挟み込んだ構造となっている。アノード極1とカソード極2とは、主に膜厚等が異なる。本実施形態に係る膜電極接合体50は、例えば、固体高分子型燃料電池、燃料電池スタック等に備えられる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Configuration of membrane electrode assembly 50)
As shown in FIG. 1, a
図2、図3中、4はアノード極用の電極転写基材、5はカソード極用の電極転写基材である。図2、図3に示すように、電極転写基材(広義の「基材フィルム」)4、5それぞれに電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成した後、形成した電極触媒層で高分子電解質膜3を挟み込んで貼合する。貼合する際に、温度や圧力を加えることによって高分子電解質膜3と電極触媒層(アノード極1、カソード極2)とを接合し、その後、電極転写基材(基材フィルム)4、5を剥離することで、膜電極接合体50を形成する。
なお、本実施形態では、電極転写基材4、5を基材フィルムとし、電極転写基材4、5に触媒インク60を塗布する例を示したが、他の構成としてもくよく、例えば、高分子電解質膜3を基材フィルムとし、高分子電解質膜3に触媒インク60を塗布してもよい。
2 and 3, 4 is an electrode transfer substrate for the anode electrode, and 5 is an electrode transfer substrate for the cathode electrode. As shown in FIGS. 2 and 3, the electrode catalyst layers (anode electrode 1 and cathode electrode 2) are formed on each of the electrode transfer substrates (broadly defined “substrate films”) 4 and 5, and then the electrode catalyst layers formed are formed. Then, the
In the present embodiment, the
(塗工装置Aの構成)
塗工装置Aは、図4に示すように、電極転写基材(基材フィルム)4、5を吸着(設置)する塗工ステージ7と、塗工ステージ7に吸着された電極転写基材(基材フィルム)4、5に触媒インク60を吐出するダイヘッド6とを備える。塗工ステージ7は、例えば、セラミックス等の多孔質材で形成される。これにより、電極転写基材(基材フィルム)4、5を塗工ステージ7に真空吸着でき、電極転写基材4、5を塗工ステージ7上に平坦に設置できる。また、触媒インク60としては、例えば、導電性粒子とその上に担持された電極触媒粒子とを含む複合粒子と、高分子電解質と、溶媒とを含むインクを採用できる。
(Configuration of coating apparatus A)
As shown in FIG. 4, the coating apparatus A includes a
そして、塗工装置Aは、ダイヘッド6を使用して、塗工ステージ7上に吸着(設置)された電極転写基材(基材フィルム)4、5、または高分子電解質膜3に触媒インク60を塗工することで、燃料電池の電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成する。
また、塗工装置Aは、触媒インク60を収容する容器70と、容器70の底面に配置され、容器70が収容している触媒インク60を加温するヒーター80と、ヒーター80が加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環する循環機構40とを備える。なお、ヒーター80は、ダイヘッド6のノズルから吐出される触媒インク60が25℃以上35℃以下となるように触媒インク60を加温する。これにより、触媒インク60に含まれる溶媒の揮発を抑制しつつ、クラックやピンホールの発生を抑制できる。
Then, the coating apparatus A uses the
In addition, the coating apparatus A includes a
循環機構40は、容器70が収容している触媒インク60をダイヘッド6に供給する供給経路12と、ダイヘッド6に供給された触媒インク60を容器70に戻す戻り経路11と、供給経路12に配置され、容器70からダイヘッド6への触媒インク60の送液を行う送液ポンプ13とを備える。供給経路12には、塗布バルブ8が設けられている。また、戻り経路11は、経路の途中で2つの経路に分岐してダイヘッド6の左右2箇所それぞれに接続され、分岐した経路それぞれには、ヘッドベントバルブ9、10が設けられている。なお、送液ポンプ13としては、例えば、定量吐出可能なダイヤフラムポンプが好ましい。
The
そして、ヒーター80が、触媒インク60を加温し、送液ポンプ13が、供給経路12を介して、加温した触媒インク60をダイヘッド6に供給し、戻り経路11を介して、ダイヘッド6に供給された触媒インク60を容器70に戻す。その際、塗布バルブ8、ヘッドベントバルブ9、10は開放状態とされる。これにより、循環機構40は、ヒーター80が加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環する。それゆえ、加温した触媒インク60で、供給経路12、送液ポンプ13、及びダイヘッド6を加温できる。そのため、ダイヘッド6から吐出される触媒インク60の温度をより適切に上昇できる。
なお、本実施形態では、送液ポンプ13を用いて、触媒インク60の循環を行う例を示したが、これに限られるものではない。例えば、送液ポンプ13とは別に循環ポンプを用意し、用意した循環ポンプを用いて、触媒インク60の循環を行う構成としてもよい。
Then, the
In the present embodiment, the example in which the
また、送液ポンプ13を供給経路12に配置する例を示したが、別途循環ポンプを用いる場合、他の構成を採用してもよい。例えば、供給経路12及び戻り経路11の少なくとも一方に配置すればよい。
また、塗工装置Aは、触媒インク60の循環時に、ダイヘッド6のノズル(先端)から触媒インク60が吐出されないようにダイヘッド6のノズルに密着するシールユニット14を更に備える。これにより、ダイヘッド6のノズル(先端)から触媒インク60が漏れることを防止でき、触媒インク60の循環をより適切に行うことができる。シールユニット14の材質としては、ノズル先端を傷つけないようにゴム等の軟質材が望ましい。
なお、図5に示すように、触媒インク60を塗工する場合には、塗布バルブ8を開放状態とし、ヘッドベントバルブ9、10を閉止状態とすることで、ダイヘッド6のノズル(先端)から触媒インク60を定量吐出することができる。その際、触媒インク60の循環を塗工直前まで続けることで、温度の制御された触媒インク60の塗工が可能となる。
Moreover, although the example which arrange | positions the
The coating apparatus A further includes a
As shown in FIG. 5, when the
(膜電極接合体50の作製方法)
図6の例では、転写方式を採用し、ロール状の膜電極接合体50を作製している。まず、ロール状の電極転写基材(基材フィルム)4、5に塗工装置Aで触媒インク60を塗工する。続いて、塗工した触媒インク60を焼成オーブン90で乾燥させて、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成する。電極触媒層(アノード極1、カソード極2)の形状は、マスク材等を用いて所望の形状に形成する。続いて、形成した電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を電極触媒層加圧ロール30で高分子電解質膜3に接合させ、ロール状の高分子電解質膜3に転写する。その際、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を高分子電解質膜3に接合させるためには、加圧または過熱が必要となる。それゆえ、電極触媒層加圧ロール30としては、加熱機構を備えていることが望ましい。
(Method for producing membrane electrode assembly 50)
In the example of FIG. 6, a transfer method is employed to produce a roll-shaped
続いて、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)から電極転写基材(基材フィルム)4、5を転写基材剥離ロール31で剥離し、膜電極接合体50を作製する。それゆえ、電極転写基材(基材フィルム)4、5としては、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)に対して剥離性の高い材質が望ましい。その後、電解質膜巻取りロール17で、作製した膜電極接合体50を巻き取る。そして、巻き取った膜電極接合体50を組み付けることで、膜電極接合体50を備えた固体高分子型燃料電池、燃料電池スタックを作製する。
一方、図7の例に示すように、転写方式を使わず、ロール状の高分子電解質膜3を基材フィルムとし、ロール状の高分子電解質膜3に塗工装置Aで触媒インク60を直接塗工して、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成し、膜電極接合体50を作製する構成としてもよい。なお、図7の例では、触媒インク60を、高分子電解質膜(基材フィルム)3の両面に、別々に塗工して乾燥させる例を示したが、両面の対向箇所に同時に塗工してもよく、この場合、焼成オーブン90を一台にすることができるため好ましい。
Subsequently, the electrode transfer base materials (base material films) 4 and 5 are peeled off from the electrode catalyst layers (the anode electrode 1 and the cathode electrode 2) by the transfer base
On the other hand, as shown in the example of FIG. 7, without using a transfer method, the roll-shaped
(本実施形態の効果)
本実施形態に係る発明は、次のような効果を奏する。
(1)本実施形態に係る塗工装置Aでは、触媒インク60を収容する容器70と、容器70が収容している触媒インク60を加温するヒーター80と、ヒーター80が加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環させる循環機構40とを備える。
このような構成によれば、加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環させるため、ダイヘッド6から吐出される触媒インク60の温度をより適切に上昇させることができる。そのため、例えば、塗工ステージ7を加温することなく、塗工時に発生するクラックやピンホールを抑制することができる。
(Effect of this embodiment)
The invention according to this embodiment has the following effects.
(1) In the coating apparatus A according to the present embodiment, a
According to such a configuration, since the
(2)本実施形態に係る塗工装置Aでは、循環機構40は、容器70が収容している触媒インク60をダイヘッド6に供給する供給経路12と、ダイヘッド6に供給された触媒インク60を容器70内に戻す戻り経路11と、供給経路12に配置され、触媒インク60の送液を行う送液ポンプ13と、を備える。
このような構成によれば、触媒インク60の循環をより適切に行うことができる。
(3)本実施形態に係る塗工装置Aでは、送液ポンプ13は、定量吐出可能なダイヤフラムポンプである。
このような構成によれば、送液ポンプ13を、循環ポンプとしても使用できる。
(2) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, the
(3) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, the
(4)本実施形態に係る塗工装置Aでは、ヒーター80は、ダイヘッドのノズルから吐出される触媒インク60が25℃以上35℃以下となるように触媒インク60を加温する。
このような構成によれば、触媒インク60に含まれる溶媒の揮発を抑制しつつ、クラックやピンホールの発生を抑制することができる。
(5)本実施形態に係る塗工装置Aは、ダイヘッド6のノズルに密着するシールユニット14を更に備える。
このような構成によれば、ダイヘッド6のノズルから触媒インク60が漏れることを防止でき、触媒インク60の循環をより適切に行うことができる。
(4) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, generation of cracks and pinholes can be suppressed while volatilization of the solvent contained in the
(5) The coating apparatus A according to this embodiment further includes a
According to such a configuration, the
(6)本実施形態に係る塗工装置Aでは、高分子電解質膜3はロール状フィルムである。
このような構成によれば、枚葉装置に比べて基材設置の工程が省略できるため、効率よく、短時間で電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成することができる。
(7)本実施形態に係る塗工装置Aでは、高分子電解質膜3は、高分子電解質膜であ。
このような構成によれば、電極転写基材5に塗工した電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を高分子電解質膜3に転写する方法に比べて、高分子電解質膜3に直接塗工することで工程数を低減することができる。
(6) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, the step of installing the base material can be omitted as compared with the single wafer apparatus, and therefore the electrode catalyst layers (the anode electrode 1 and the cathode electrode 2) can be formed efficiently and in a short time.
(7) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, the electrode catalyst layer (anode electrode 1 and cathode electrode 2) applied to the
(8)本実施形態に係る塗工装置Aでは、塗工ステージ7は、多孔質材で形成される。
このような構成によれば、電極転写基材(基材フィルム)4、5を塗工ステージ7に真空吸着でき、電極転写基材4、5を塗工ステージ7上に平坦に設置できる。
(9)本実施形態に係る膜電極接合体50は、上記(1)から(7)のいずれか一項に記載の塗工装置Aで製造された電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を有する。
このような構成によれば、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)にクラックやピンホールが無く、良好な発電性能を有する膜電極接合体50を提供できる。
(8) In the coating apparatus A according to this embodiment, the
According to such a configuration, the electrode transfer base materials (base film) 4 and 5 can be vacuum-adsorbed to the
(9) The
According to such a configuration, it is possible to provide the
(10)本実施形態に係る燃料電池スタックは、上記(8)に記載の膜電極接合体50を備えた。
このような構成によれば、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)にクラックやピンホールの無く、良好な発電性能を有する燃料電池スタックを提供できる。
(11)本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、上記(8)に記載の膜電極接合体50を備えた。
このような構成によれば、電極触媒層(アノード極1、カソード極2)にクラックやピンホールの無く、良好な発電性能を有する固体高分子形燃料電池を提供できる。
(10) The fuel cell stack according to this embodiment includes the
According to such a configuration, it is possible to provide a fuel cell stack having good power generation performance without cracks and pinholes in the electrode catalyst layer (the anode electrode 1 and the cathode electrode 2).
(11) The polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment includes the
According to such a configuration, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having good power generation performance without cracks and pinholes in the electrode catalyst layer (the anode 1 and the cathode 2).
(12)本実施形態に係る塗工方法では、容器70に収容した触媒インク60をヒーター80で加温するとともに、ヒーター80が加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環させる。
このような構成によれば、加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で循環させるため、ダイヘッド6から吐出される触媒インク60の温度をより適切に上昇させることができる。そのため、例えば、塗工ステージ7を加温することなく、塗工時に発生するクラックやピンホールを抑制することができる。
(12) In the coating method according to this embodiment, the
According to such a configuration, since the
以下、燃料電池部材用触媒層の塗工装置A及び塗工方法の実施例について説明する。
電極転写基材(基材フィルム)4、5としては、PET表面に離型処理を施した50umのフィルムを使用した。また、電極転写基材(基材フィルム)4、5の形状は、ロール状ではなく、枚葉シート状とした。また、塗工装置Aとしては、枚葉塗工機を使用した。さらに、塗工ステージ7としては、セラミックス製の多孔質材を採用し、枚葉シート状の電極転写基材(基材フィルム)4、5を真空吸着できる機構とした。
容器70の下に温度制御可能なヒーター80を設置し、触媒インク60を加温した。また、ヒーター80として、攪拌機能付のヒーターを使うことで、容器70内の触媒インク60を均一に加温する機構とした。触媒インク60の加温温度は、ダイヘッド6のノズルから吐出される触媒インク60の温度で、24℃、25℃、30℃、35℃に設定した。
Hereinafter, examples of the coating apparatus A and the coating method of the catalyst layer for the fuel cell member will be described.
As the electrode transfer base materials (base material films) 4 and 5, 50 um films having a PET surface subjected to a release treatment were used. Moreover, the shape of the electrode transfer base material (base film) 4 and 5 was not a roll shape but a sheet-like sheet shape. Further, as the coating apparatus A, a single wafer coating machine was used. Further, as the
A
送液ポンプ13としては、定量吐出ポンプを採用し、循環ポンプと併用した。定量吐出ポンプとしては、ダイヤフラムポンプを使用した。そして、ヒーター80で加温した触媒インク60を容器70とダイヘッド6との間で約1時間循環させた後、加温した触媒インクを電極転写基材(基材フィルム)4、5に塗工した。膜厚は乾燥後で10umとした。
乾燥機は汎用の熱風循環型オーブンを使用し、100℃で10分間乾燥させた後、回収した。回収したサンプルを外観検査し、ピンホールとクラックの発生レベルを確認した。
As the
The dryer used was a general-purpose hot air circulation oven, dried at 100 ° C. for 10 minutes, and then collected. The collected samples were visually inspected to confirm the level of pinholes and cracks.
上記表1から、インク温度24℃ではピンホールやクラックが発生するが、インク温度25℃以上ではピンホールやクラックが発生しないことが確認された。それゆえ、本発明の一態様に係る塗工装置A及び塗工方法を使用して電極触媒層(アノード極1、カソード極2)を形成することで、ピンホールやクラックのない膜電極接合体50を作製できることが確認された。したがって、塗工装置Aや塗工方法の実用化による効果は大きい。 From Table 1 above, it was confirmed that pinholes and cracks occurred at an ink temperature of 24 ° C., but pinholes and cracks did not occur at an ink temperature of 25 ° C. or higher. Therefore, a membrane electrode assembly free from pinholes and cracks is formed by forming an electrode catalyst layer (anode electrode 1 and cathode electrode 2) using the coating apparatus A and the coating method according to one embodiment of the present invention. It was confirmed that 50 could be produced. Therefore, the effect by practical application of the coating apparatus A and the coating method is great.
本発明の一態様は、加温した触媒インクを基材フィルムに塗工することを特徴とする。これにより、塗工乾燥後も、ピンホールやクラックの無い電極触媒層を形成できる。ちなみに、ピンホールやクラックが存在すると、発電性に影響を及ぼし、耐久性が低下する可能性がある。それゆえ、上記本発明の一態様による、産業上の利用価値は高い。 One embodiment of the present invention is characterized in that a heated catalyst ink is applied to a base film. Thereby, an electrode catalyst layer without pinholes and cracks can be formed even after coating and drying. Incidentally, if there are pinholes and cracks, the power generation performance is affected and the durability may be reduced. Therefore, the industrial utility value according to one embodiment of the present invention is high.
1 アノード極
2 カソード極
3 高分子電解質膜
6 ダイヘッド
7 塗工ステージ
11 戻り経路
12 供給経路
13 送液ポンプ
14 シールユニット
40 循環機構
50 膜電極接合体
60 触媒インク
70 容器
80 ヒーター
A 塗工装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記触媒インクを収容する容器と、
前記容器が収容している前記触媒インクを加温するヒーターと、
前記ヒーターが加温した前記触媒インクを前記容器と前記ダイヘッドとの間で循環させる循環機構とを備えることを特徴とする塗工装置。 A coating apparatus that coats a base film using a die head with a catalyst ink containing composite particles containing conductive particles and electrode catalyst particles, a polymer electrolyte, and a solvent,
A container containing the catalyst ink;
A heater for heating the catalyst ink contained in the container;
A coating apparatus comprising: a circulation mechanism that circulates the catalyst ink heated by the heater between the container and the die head.
前記容器が収容している前記触媒インクを前記ダイヘッドに供給する供給経路と、
前記ダイヘッドに供給された前記触媒インクを前記容器内に戻す戻り経路と、
前記供給経路及び前記戻り経路の少なくとも一方に配置され、前記触媒インクの送液を行う送液ポンプと、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の塗工装置。 The circulation mechanism is
A supply path for supplying the catalyst ink contained in the container to the die head;
A return path for returning the catalyst ink supplied to the die head into the container;
The coating apparatus according to claim 1, further comprising: a liquid feed pump that is disposed in at least one of the supply path and the return path and that feeds the catalyst ink.
前記塗工ステージは、多孔質材で形成されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の塗工装置 A coating stage for adsorbing the base film;
The coating apparatus according to claim 1, wherein the coating stage is formed of a porous material.
容器に収容した触媒インクをヒーターで加温するとともに、ヒーターが加温した触媒インクを前記容器と前記ダイヘッドとの間で循環させることを特徴とする塗工方法。 A coating method in which a composite ink containing conductive particles and electrode catalyst particles, a polymer electrolyte, and a catalyst ink containing a solvent are applied to a base film using a die head,
A coating method comprising heating a catalyst ink contained in a container with a heater and circulating the catalyst ink heated by the heater between the container and the die head.
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