JP2021061125A - 燃料電池用触媒層の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用触媒層の製造方法において、触媒担持体と電解質樹脂と溶媒とを含む触媒インクを乾燥させるための設備が大型化することを抑制し、触媒層の製造装置が大型化することを抑制する。【解決手段】燃料電池用触媒層の製造方法は、触媒担持体と電解質樹脂と溶媒とを含む触媒インクを、シート状の基材の表面に塗工する工程と、基材の裏面と、触媒インクが塗工される前の基材の表面と、のうちの少なくとも一方に、超音波を当てる工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池に用いられる触媒層の製造方法に関する。

従来から、燃料電池用触媒層は、基材としての電解質膜または転写シートの表面に触媒インクを塗工して製造されることがある。特許文献１では、触媒インクが塗工された基材を熱風乾燥炉に搬送し、熱風を当てることによって触媒インクを乾燥させている。

特開２０１９−１２１５５１号公報

特許文献１のような熱風乾燥炉や、赤外線ヒータ等を用いて触媒インクを乾燥させる場合、触媒インクの塗膜や電解質膜へのダメージを抑制するために熱風の温度を高く設定することができず、乾燥速度が遅くなる。このため、熱風乾燥炉の長さを長く設けなければならず、乾燥設備が大型化するおそれがあった。このため、触媒層の製造装置の大型化を抑制できる技術が求められていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、燃料電池用触媒層の製造方法が提供される。この燃料電池用触媒層の製造方法は、触媒担持体と電解質樹脂と溶媒とを含む触媒インクを、シート状の基材の表面に塗工する工程と、前記基材の裏面と、前記触媒インクが塗工される前の前記基材の前記表面と、のうちの少なくとも一方に、超音波を当てる工程と、を備える。この形態の燃料電池用触媒層の製造方法によれば、基材の裏面と、触媒インクが塗工される前の基材の表面とのうちの少なくとも一方に、超音波を当てる工程を備えるので、基材を超音波振動させることにより、基材の表面に塗工された触媒インクを乾燥させることができる。このため、触媒インクの乾燥設備の大型化を抑制でき、触媒層の製造装置の大型化を抑制できる。

本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記製造方法を工程の一部に含む膜電極接合体の製造方法や燃料電池の製造方法、これらの方法を実現するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体、燃料電池用触媒層の製造装置等の形態で実現することができる。

本開示の一実施形態としての燃料電池用触媒層の製造方法により製造された触媒層を含む燃料電池を模式的に示す断面図。 触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 触媒層の製造方法を示す工程図。 比較例における触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 第２実施形態における触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 第２実施形態における触媒層の製造方法を示す工程図。 実施例１〜８における触媒インクの乾燥条件と溶媒残存率とを示す説明図。 第３実施形態における触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 第４実施形態における触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 第４実施形態における触媒層の製造方法を示す工程図。 他の実施形態１の触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 他の実施形態２の触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。 他の実施形態２の触媒層製造装置の要部の構成を模式的に示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池用触媒層の製造方法により製造された触媒層１０を含む燃料電池５０を模式的に示す断面図である。燃料電池５０は、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化剤ガスとしての空気とを反応ガスとして供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、図１では、１つの燃料電池５０のみが表されているが、複数の燃料電池５０を積層して用いられることが一般的である。

燃料電池５０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０と、アノード側ガス拡散層３２と、カソード側ガス拡散層３４と、アノード側セパレータ４２と、カソード側セパレータ４４とを備える。

膜電極接合体２０は、電解質膜１５と、アノード側触媒層１２と、カソード側触媒層１４とを備える。電解質膜１５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質樹脂を主成分とする薄膜により構成されている。アノード側触媒層１２およびカソード側触媒層１４は、電解質膜１５を挟んで互いに対向して配置されている。以下の説明では、アノード側触媒層１２とカソード側触媒層１４とをまとめて、「触媒層１０」とも呼ぶ。

触媒層１０は、触媒粒子を担持した触媒担持体と、電解質樹脂とを主成分として形成されている。触媒粒子としては、例えば、白金や白金の合金が用いられてもよい。触媒担持体としては、例えば、カーボンブラックが用いられてもよい。電解質樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のフッ素系樹脂が用いられてもよい。触媒層１０は、触媒担持体と電解質樹脂と溶媒とを含む触媒インクが、シート状の基材の表面に塗工されて乾燥されることにより形成される。溶媒としては、例えば、高沸点を有するジアセトンアルコール等の高沸点溶媒が用いられてもよい。触媒インクが塗工されるシート状の基材は、電解質膜１５であってもよく、後の工程において電解質膜１５へと触媒層１０を転写するための転写シートであってもよい。転写シートとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のシートが用いられてもよい。以下の説明では、シート状の基材の面のうち、触媒インクが塗工される面を「基材の表面」と呼ぶ。また、基材の表面とは反対側の面、すなわち触媒インクが塗工されない面を、「基材の裏面」とも呼ぶ。触媒層１０の製造方法については、後述する。

アノード側ガス拡散層３２およびカソード側ガス拡散層３４は、膜電極接合体２０を挟んで互いに対向して配置されている。これら２つのガス拡散層３２、３４は、いずれもガス拡散性に優れた導電性部材により構成されている。例えば、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパー等により構成されてもよい。

アノード側セパレータ４２およびカソード側セパレータ４４は、膜電極接合体２０および２つのガス拡散層３２、３４を挟んで互いに対向して配置されている。これら２つのセパレータ４２、４４は、いずれもガスバリア性（ガス不透過性）の高い導電性部材により構成されている。例えば、圧延メタルや焼結カーボンを用いてもよい。アノード側セパレータ４２の断面は凹凸形状を有しており、アノード側セパレータ４２が膜電極接合体２０に接することにより、アノード側セパレータ４２とアノード側ガス拡散層３２との間に燃料ガス流路５２が形成される。同様に、カソード側セパレータ４４の断面は凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ４４が膜電極接合体２０に接することにより、カソード側セパレータ４４とカソード側ガス拡散層３４との間に酸化剤ガス流路５４が形成される。

Ａ２．触媒層の製造方法：
図２は、触媒層製造装置９０の要部の構成を模式的に示す説明図である。本実施形態の触媒層製造装置９０は、基材８０を超音波で振動させることによって触媒インクを乾燥させて、触媒層１０を製造する。触媒層製造装置９０は、搬送ローラ９１と、巻取ローラ９２と、ダイヘッド９３と、超音波ノズル９５とを備えている。

搬送ローラ９１および巻取ローラ９２は、それぞれ図示しないモータによって駆動され、細線の矢印の方向に回転する。搬送ローラ９１および巻取ローラ９２は、回転することによって、上流側から供給される基材８０を、白抜きの矢印で示す搬送方向Ｄに沿って搬送する。搬送ローラ９１は、巻取ローラ９２よりも上流側に配置され、また、基材８０を介してダイヘッド９３と対向して配置されている。巻取ローラ９２は、搬送された基材８０を巻き取る。本実施形態では、シート状の基材８０として電解質膜１５を用いるものとして説明するが、基材８０として転写シートを用いてもよい。

ダイヘッド９３は、図示しない塗工機の一部として構成されており、基材８０の表面８２と対向して配置されている。ダイヘッド９３は、基材８０を介して搬送ローラ９１と対向して配置されている。このため、基材８０は、ダイヘッド９３と対向する部分において基材８０の裏面８４が搬送ローラ９１に接触することにより、搬送ローラ９１によって支持されている。ダイヘッド９３は、塗工機に収容されている触媒インクを、基材８０の表面８２に吐出する。

超音波ノズル９５は、ダイヘッド９３よりも上流側において、ダイヘッド９３と搬送方向Ｄに並んで配置されている。本実施形態の超音波ノズル９５は、基材８０の表面８２と対向して配置されている。超音波ノズル９５は、触媒インクが塗工される前の基材８０の表面８２に超音波を当てる。本実施形態の超音波ノズル９５は、基材８０の表面８２と接触しないように配置され、超音波を含む風を吹き付けることにより、基材８０の表面８２に超音波を当てる。超音波ノズル９５は、図示しないヒータと接続されており、図示しないプレッシャー用ブロアから供給されてヒータで加熱された温風に、超音波振動を付与して連続的に噴射する。

超音波ノズル９５と基材８０の表面８２との距離は、超音波の照射効率の悪化を抑制する観点から、短いことが好ましい。例えば、３０ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましい。また、搬送方向Ｄに直交する基材８０の幅方向に沿った超音波ノズル９５の幅は、基材８０の幅の全体に亘っていることが好ましく、風漏れによって超音波の照射効率が悪化することを抑制するために、基材８０の幅よりも過度に大きくないことが好ましい。例えば、基材８０の幅の長さプラス１０ｍｍ以下であることが望ましい。照射する超音波の周波数は、超音波領域の周波数に設定される。照射する超音波の周波数は、触媒インクの乾燥効率の観点から、例えば、２０ｋＨｚ以上であることが好ましく、５０ｋＨｚ以上であることがより好ましい。照射する超音波の出力、すなわち基材８０が受ける超音波の音圧レベルは、触媒インクの乾燥効率の観点から、例えば、１０ｄＢ以上であることが好ましく、５０ｄＢ以上であることがより好ましい。超音波の音圧レベルは、超音波ノズル９５の圧力を高く設定することにより、増大させることができる。

図３は、触媒層１０の製造方法を示す工程図である。触媒層１０の製造は、図２に示す触媒層製造装置９０を用いて実行される。まず、基材８０と触媒インクとが準備される（工程Ｐ１１０）。工程Ｐ１１０では、触媒層製造装置９０に基材８０がセットされる。基材８０は、上流側から下流側へと搬送方向Ｄに沿って搬送されるに従って、超音波ノズル９５と対向する箇所とダイヘッド９３と対向する箇所とをこの順番で通過して、巻取ローラ９２に巻き取られる。

基材８０の表面８２に超音波を照射する（工程Ｐ１２０）。工程Ｐ１２０では、搬送方向Ｄに沿って搬送される基材８０の表面８２に向かって、超音波ノズル９５から超音波が当てられる。超音波の照射により、基材８０が超音波振動する。

基材８０の表面８２に触媒インクを塗工する（工程Ｐ１３０）。工程Ｐ１３０では、超音波振動している状態で搬送方向Ｄに沿って搬送される基材８０の表面８２に、ダイヘッド９３から触媒インクが塗工される。超音波振動している基材８０の表面８２に塗工された触媒インクは、塗布の直後から急速に乾燥する。基材８０の超音波振動によって触媒インクが乾燥するメカニズムは定かではないが、推定メカニズムとして、例えば、触媒インクに含まれる溶媒の分子間力が超音波振動によって弱められることにより、溶媒が揮発しやすくなることが挙げられる。

基材８０の表面８２に塗工された触媒インクが乾燥することにより、基材８０の表面に触媒層１０が形成され、触媒層１０の製造が終了する。表面８２に触媒層１０が形成された状態の基材８０は、巻取ローラ９２によって巻き取られ、膜電極接合体２０の製造に用いられる。なお、巻取ローラ９２によって巻き取られることが省略されて、膜電極接合体２０の製造工程に供されてもよい。

以上説明した本実施形態における触媒層１０の製造方法によれば、触媒インクが塗工される基材８０に超音波を当てる工程と、基材８０の表面８２に触媒インクを塗工する工程とを含むので、基材８０の表面８２に塗工された触媒インクを基材８０の超音波振動によって乾燥させることができる。このため、触媒インクの乾燥設備の大型化を抑制でき、触媒層製造装置９０の大型化を抑制できる。

また、基材８０に付与された超音波振動によって触媒インクを乾燥させるので、触媒インクの塗工直後から触媒インクが乾燥する。このため、触媒インクの乾燥時間を短縮できるので、触媒インクの乾燥のために巻取ローラ９２までの搬送距離が長く設定されることを抑制できる。したがって、触媒インクの乾燥設備の大型化をさらに抑制でき、触媒層製造装置９０におけるスペース生産性を向上できる。

また、ダイヘッド９３よりも上流側に配置された超音波ノズル９５によって基材８０の表面８２に超音波を当てるので、超音波振動している状態の基材８０の表面８２に触媒インクを塗工できる。このため、触媒インクの乾燥開始時期を早めることができ、触媒インクの乾燥時間をさらに短縮できる。また、超音波ノズル９５が、ダイヘッド９３よりも上流側においてダイヘッド９３と搬送方向Ｄに並んで配置されているので、基材８０に付与される超音波振動が触媒インクの塗工前に減衰することを抑制でき、乾燥効率の低下を抑制できる。また、搬送方向Ｄに互いに並んで配置された超音波ノズル９５およびダイヘッド９３を含む触媒層製造装置９０を用いて触媒層１０を製造するので、触媒インクの塗工および乾燥を一体的に行なうことができる。

Ｂ．比較例：
図４は、比較例における触媒層１０の製造方法に用いられる触媒層製造装置１９０の要部の構成を模式的に示す説明図である。比較例の触媒層製造装置１９０において、超音波ノズル１９５は、ダイヘッド１９３よりも下流側において、基材８０の表面８２と対向して配置されている。超音波ノズル１９５は、基材８０の表面８２に塗工された触媒インクに、超音波を当てる。超音波ノズル１９５は、基材８０の表面８２に塗工された触媒インクと接触しないように配置され、超音波を含む風を吹き付けることにより、触媒インクを乾燥させる。

基材８０の表面８２に塗工された触媒インクに超音波を当てると、触媒インクの表面に偏在する溶媒の層が振動し、かかる溶媒の層が破壊されることによって乾燥が進行すると推定される。しかしながら、かかる溶媒の層の破壊が部分的な破壊であることが推定されるため、触媒インクのうち基材８０の表面８２との界面まで超音波の風を行き渡らせるためには、長時間を要する。このため、基材８０の表面８２に塗工された触媒インクを全体に亘って高速で乾燥させることが困難であり、触媒インクの乾燥時間を長く設定するために触媒インクの乾燥設備が大型化する。また、未乾燥の触媒インクに超音波を含む風を吹き付けると、図４において搬送方向Ｄに平行な矢印で示すように、触媒インクの塗膜が吹き流されるおそれがある。塗膜が吹き流されることを抑制するために、基材８０の表面８２に塗工された触媒インク、すなわち触媒層製造装置１９０の搬送路から超音波ノズル１９５を離して配置すると、乾燥効率が悪化する。したがって、触媒インクの乾燥時間を長く設定するために触媒インクの乾燥設備が大型化し、触媒層製造装置１９０が大型化する。

これに対し、本実施形態における触媒層１０の製造方法によれば、超音波振動している状態の基材８０に触媒インクを塗工する。このため、基材８０に直接的に超音波を当てるので、基材８０の超音波振動を触媒インクの塗膜に直接的に作用させることができ、触媒インクの塗工直後から触媒インクを乾燥させることができる。したがって、触媒インクの乾燥時間を短縮できる。また、基材８０に塗工された触媒インクに代えて、触媒インクが塗工される前の状態の基材８０に超音波を含む風を当てるので、超音波を含む風によって触媒インクの塗膜が吹き流されることを抑制できる。このため、触媒層製造装置９０における搬送路から超音波ノズル９５を離して配置することによる乾燥効率の悪化を抑制できる。したがって、触媒インクの乾燥時間をより短縮でき、触媒インクの乾燥設備および触媒層製造装置９０の大型化をより抑制できる。

Ｃ．第２実施形態：
Ｃ１．触媒層製造装置および触媒層の製造方法：
図５は、第２実施形態における触媒層１０の製造方法に用いられる触媒層製造装置９０ａの要部の構成を模式的に示す説明図である。図６は、第２実施形態における触媒層１０の製造方法を示す工程図である。図５に示すように、第２実施形態で用いられる触媒層製造装置９０ａは、超音波ノズル９５ａが配置されている位置において、第１実施形態の触媒層製造装置９０と異なる。図６に示すように、第２実施形態における触媒層１０の製造方法は、工程Ｐ１２０に代えて工程Ｐ１２０ａが実行される点と、工程Ｐ１３０の後に工程Ｐ１２０ａが実行される点とにおいて、第１実施形態における触媒層１０の製造方法と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。

図５に示すように、触媒層製造装置９０ａにおいて、超音波ノズル９５ａは、ダイヘッド９３よりも搬送方向Ｄの下流側において、基材８０の裏面８４と対向して配置されている。超音波ノズル９５ａは、第１実施形態の超音波ノズル９５と同様に、超音波を含む風を吹き付けることにより、基材８０に対して非接触の状態で超音波を当てる。

触媒層製造装置９０ａにおいて搬送される基材８０は、上流側から下流側へと搬送方向Ｄに沿って搬送されるに従って、ダイヘッド９３と対向する箇所と超音波ノズル９５ａと対向する箇所とをこの順番で通過して、巻取ローラ９２に巻き取られる。

図６に示すように、第２実施形態における触媒層１０の製造方法では、基材８０の表面８２に触媒インクが塗工され（工程Ｐ１３０）、触媒インクが塗工された後の基材８０の裏面８４に超音波が照射される（工程Ｐ１２０ａ）。基材８０の裏面８４に当てられた超音波によって基材８０が超音波振動し、触媒インクが乾燥する。基材８０の裏面８４に当てられる超音波は、触媒インクの塗工直後から乾燥を開始させるために、シート状の基材８０を伝ってダイヘッド９３と対向する箇所まで伝達可能な程度の強度に設定されていてもよい。

Ｃ２．実施例：
以下、第２実施形態の触媒層１０の製造方法について、実施例を用いて説明するが、本開示は実施例の範囲に限定されるものではない。

図７は、実施例１〜８における触媒インクの乾燥条件と溶媒残存率とを示す説明図である。実施例１〜８は、いずれも、第２実施形態における触媒層製造装置９０ａを用いて、触媒インクが塗工された後の基材８０の裏面８４に超音波を照射した試験サンプルを示している。実施例１〜８では、いずれも、超音波ノズル９５ａとしてヒューグルエレクトロニクス株式会社製の超音波クリーナヘッドを用いた。図７において、ノズル距離（ｍｍ）は、基材８０から超音波ノズル９５ａの先端までの距離を示し、ライン速度（ｍｍ／ｓ）は、基材８０の搬送速度を示し、ノズル圧力（ＭＰａ）は、超音波ノズル９５ａの内圧を示し、ヒータ温度（℃）は、超音波ノズル９５ａに供給する空気を加熱するためのヒータの設定温度を示している。また、溶媒残存率（％）は、乾燥前の触媒インクに含まれる溶媒量を１００％とした場合における、超音波ノズル９５ａを通過した後の触媒インクの塗膜に含まれる溶媒量の割合を示している。このように、実施例１〜８によって、触媒インクの乾燥条件を互いに異ならせた場合における溶媒の残存率を評価した。

実施例１〜８から、以下のことがわかった。ノズル距離を短く設定することにより、溶媒の残存率が低くなり、ライン速度とノズル圧力とヒータ温度とをそれぞれ調整して設定することにより、溶媒の残存率を低くすることができる。

以上説明した第２実施形態の触媒層１０の製造方法によれば、第１実施形態の触媒層１０の製造方法と同様な効果を奏する。

Ｄ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態における触媒層１０の製造方法に用いられる触媒層製造装置９０ｂの要部の構成を模式的に示す説明図である。第３実施形態で用いられる触媒層製造装置９０ｂは、超音波ノズル９５ｂの具体的な構成において、第２実施形態の触媒層製造装置９０ａと異なる。触媒層１０の製造工程等、他の構成は第２実施形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。

触媒層製造装置９０ｂにおいて、超音波ノズル９５ｂは、図示しない超音波振動子を含んで構成されている。また、超音波ノズル９５ｂの先端には、超音波を伝達可能なゲルＧが設けられている。超音波ノズル９５ｂは、ゲルＧを介して基材８０の裏面８４と接触するように配置されており、ゲルＧを介して基材８０の裏面８４に超音波を当てる。本実施形態において、ゲルＧは、流動性を有さないゲルパッドにより構成されている。このため、ゲルＧは、基材８０の裏面８４へと転写されないので、超音波ノズル９５ｂを通過した後の基材８０の裏面８４に残存しない。ゲルＧの厚みは、超音波の照射効率の悪化を抑制する観点から、薄いことが好ましい。超音波ノズル９５ｂから発振される超音波の周波数や音圧レベルは、第１、２実施形態と同様であってもよい。

触媒層製造装置９０ｂにおいて搬送される基材８０は、上流側から下流側へと搬送方向Ｄに沿って搬送されるに従って、ダイヘッド９３と対向する箇所と超音波ノズル９５ｂと対向する箇所とをこの順番で通過して、巻取ローラ９２に巻き取られる。

以上説明した第３実施形態の触媒層１０の製造方法によれば、第２実施形態の触媒層１０の製造方法と同様な効果を奏する。加えて、超音波ノズル９５ｂが超音波振動子を含んで構成されてゲルＧを介して基材８０と接触して配置されているので、超音波の伝播効率を向上できる。このため、触媒インクの乾燥時間をさらに短縮でき、触媒インクの乾燥設備の大型化をさらに抑制できる。

Ｅ．第４実施形態：
図９は、第４実施形態における触媒層１０の製造方法に用いられる触媒層製造装置９０ｃの要部の構成を模式的に示す説明図である。図１０は、第４実施形態における触媒層１０の製造方法を示す工程図である。図９に示すように、第４実施形態で用いられる触媒層製造装置９０ｃは、超音波ノズル９５ｂに代えて超音波ノズル９５ｃを備える点と、ゲル塗布ヘッド９７ｃをさらに備える点とにおいて、第３実施形態の触媒層製造装置９０ｂと異なる。図１０に示すように、第４実施形態における触媒層１０の製造方法は、工程Ｐ１２０ａの前に工程Ｐ１２５ｃがさらに実行される点において、第３実施形態の触媒層１０の製造方法と異なる。また、第４実施形態では、基材８０として、電解質膜１５に代えて転写シートが用いられる。その他の構成は、第３実施形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。

図９に示すように、触媒層製造装置９０ｃにおいて、超音波ノズル９５ｃは、第３実施形態における超音波ノズル９５ｂと比較して、先端に設けられていたゲルＧが省略されている。ゲル塗布ヘッド９７ｃは、超音波ノズル９５ｃよりも搬送方向Ｄの上流側において、基材８０の裏面８４と対向して配置されている。このため、ゲル塗布ヘッド９７ｃと超音波ノズル９５ｃとは、互いに搬送方向Ｄに並んで配置されている。ゲル塗布ヘッド９７ｃは、超音波を伝達可能なゲルを塗出することにより、基材８０の裏面８４にゲルを塗布する。ゲルとしては、例えば医療用の超音波検査用ゲル等、流動性を有し超音波を伝達可能な任意のゲルが用いられる。ゲル塗布ヘッド９７ｃによって基材８０の裏面８４に塗布されるゲルの厚みは、超音波の照射効率の悪化を抑制する観点から、薄いことが好ましい。超音波ノズル９５ｂから発振される超音波の周波数や音圧レベルは、第１、２実施形態と同様であってもよい。

超音波ノズル９５ｃは、基材８０の裏面８４に塗布されたゲルを介して基材８０の裏面８４と接触するように配置されており、ゲルを介して基材８０の裏面８４に超音波を当てる。

触媒層製造装置９０ｃにおいて搬送される基材８０としての転写シートは、上流側から下流側へと搬送方向Ｄに沿って搬送されるに従って、ダイヘッド９３とゲル塗布ヘッド９７ｃと超音波ノズル９５ｃとそれぞれ対向する箇所をこの順番で通過する。

図１０に示すように、第４実施形態における触媒層１０の製造方法では、基材８０の表面８２に触媒インクを塗工し（工程Ｐ１３０）、基材８０の裏面８４にゲルを塗布する（工程Ｐ１２５ｃ）。工程Ｐ１２５ｃの実行後、基材８０の裏面８４に超音波を照射する（工程Ｐ１２０ａ）。基材８０の裏面８４に当てられた超音波によって基材８０が超音波振動し、触媒インクが乾燥する。以上により、基材８０としての転写シートの表面８２に触媒層１０が製造される。製造された触媒層１０は、転写シートが剥離されることにより電解質膜１５へと転写される。

以上説明した第４実施形態の触媒層１０の製造方法によれば、第３実施形態と同様な効果を奏する。加えて、ゲル塗布ヘッド９７ｃによって基材８０の裏面８４にゲルが塗布されるので、ゲルの厚みを薄く形成できる。このため、超音波の伝播効率をさらに向上できるので、触媒インクの乾燥時間をさらに短縮でき、触媒インクの乾燥設備の大型化をさらに抑制できる。

Ｆ．他の実施形態：
Ｆ１．他の実施形態１：
上記第１実施形態の触媒層製造装置９０が備える超音波ノズル９５の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、図１１に示すように、超音波ノズル９５は、ダイヘッド９３よりも上流側において、基材８０の裏面８４と対向して配置されることにより、触媒インクが塗工される前の基材８０の裏面８４に超音波を当てるように構成されていてもよい。また、超音波を含む風を吹き付けることに代えて、超音波発信器や超音波プローブ等、基材８０に超音波を照射可能な任意のタイプの超音波ノズルとして構成されていてもよい。このような構成によっても、上記第１実施形態と同様な効果を奏する。

Ｆ２．他の実施形態２：
上記第４実施形態の触媒層製造装置９０ｃにおいて、ゲル塗布ヘッド９７ｃは、超音波ノズル９５ｃと搬送方向Ｄに並んで配置されていたが、本開示はこれに限定されるものではなく、搬送方向Ｄにおいて超音波ノズル９５ｃよりも上流側に配置されていてもよい。例えば、図１２に示すように、搬送ローラ９１にゲルを塗布するために搬送ローラ９１と、ゲル塗布ヘッド９７ｃの先端が対向して配置される態様であってもよい。かかる態様によれば、搬送ローラ９１に塗布されたゲルが基材８０としての転写シートの裏面８４に転写されるので、転写されたゲルを介して基材８０の裏面８４に超音波を当てることができる。また、例えば、図１３に示すように、搬送方向Ｄにおいてダイヘッド９３よりも上流側において、基材８０の裏面８４と対向して配置されていてもよい。このような構成によっても、上記第４実施形態と同様な効果を奏する。

Ｆ３．他の実施形態３：
上記第３実施形態の触媒層製造装置９０ｂにおいて、超音波ノズル９５ｂは、触媒インクが塗工された後の基材８０の裏面８４に超音波を当てるように構成されていたが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、超音波ノズル９５ｂは、触媒インクが塗工される前の基材８０の裏面８４に超音波を当ててもよく、触媒インクが塗工される前の基材８０の表面８２に超音波を当ててもよい。すなわち一般には、燃料電池用触媒層の製造方法は、基材８０の裏面８４と、触媒インクが塗工される前の基材８０の表面８２と、のうちの少なくとも一方に超音波を当てる工程と、触媒インクをシート状の基材８０の表面８２に塗工する工程と、を備えていてもよい。

Ｆ４．他の実施形態４：
上記各実施形態の触媒層製造装置９０、９０ａ〜ｃにおいて、同一種類の超音波ノズル９５、９５ａ〜ｃが複数配置されていてもよく、互いに異なる種類の超音波ノズル９５、９５ａ〜ｃが組み合わされて設けられていてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…触媒層、１２…アノード側触媒層、１４…カソード側触媒層、１５…電解質膜、２０…膜電極接合体、３２…アノード側ガス拡散層、３４…カソード側ガス拡散層、４２…アノード側セパレータ、４４…カソード側セパレータ、５０…燃料電池、５２…燃料ガス流路、５４…酸化剤ガス流路、８０…基材、８２…表面、８４…裏面、９０、９０ａ〜ｃ…触媒層製造装置、９１…搬送ローラ、９２…巻取ローラ、９３…ダイヘッド、９５、９５ａ〜ｃ…超音波ノズル、９７ｃ…ゲル塗布ヘッド、１９０…触媒層製造装置、１９３…ダイヘッド、１９５…超音波ノズル、Ｄ…搬送方向、Ｇ…ゲル

Claims (1)

1. 燃料電池用触媒層の製造方法であって、
   触媒担持体と電解質樹脂と溶媒とを含む触媒インクを、シート状の基材の表面に塗工する工程と、
   前記基材の裏面と、前記触媒インクが塗工される前の前記基材の前記表面と、のうちの少なくとも一方に、超音波を当てる工程と、
   を備える、燃料電池用触媒層の製造方法。

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