JP5175423B2 - 燃料電池の電極製造装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は固体高分子型燃料電池に用いられる電極の製造装置と方法、特に静電力を利用して電極材料粉末を電解質膜に飛翔させるようにした、いわゆる乾式法による電極の製造装置と方法に関する。

燃料電池の１つとして固体高分子型燃料電池が知られており、図５に示す形態の膜電極接合体（ＭＥＡ）５０を主要な構成要素としている。膜電極接合体５０、イオン交換膜である電解質膜５１の一方側に燃料極側の電極５２ａと拡散層５３ａを積層し、他方の側に空気極側の電極５２ｂと拡散層５３ｂを積層した構造であり、拡散層５３ａ、５３ｂ側をガス流路を備えたセパレータで挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池が形成される。

通常、電解質膜５１にはナフィオン（登録商標）膜と呼ばれているものが用いられる。また、電極５２ａ、５２ｂの形成には、白金などの触媒成分を担持するカーボン担体と電気伝導性物質である電解質溶液との混合溶液（触媒インキ）を調整し、それを電解質膜５１にスクリーン印刷法などにより塗布し乾燥して形成する方法（湿式法）と、電極材料を全く乾式で調合し、あるいは、前記した触媒インクから溶媒などを乾燥除去して粉末状の電極材料を帯電させた後、それを静電力を利用して搬送ローラなどに付着させ、付着した電極材料粉末を電解質膜５１に転写し、定着ローラで定着する方法（乾式法）とが行われる。

乾式法として、特許文献１（特開２００２−３６７６１６号公報）には、図６に示すように、帯電した電極材料粉末５４を搬送ローラ５７上に静電付着させ、このローラ５７と転写用背面電極５８間に電圧を印加して、ローラ５７と背面電極５８間に配置された電解質膜５９に電極材料粉末５４を静電付着させる方法と装置が記載されている。１つの実施の形態として、図示のように、背面電極５８および電解質膜５９を搬送ローラ５７から隔てて配置しておき、搬送ローラ５７上に付着した電極材料粉末５４を、搬送ローラ５７と背面電極５８間に生成される電界により電解質膜５９に向けて飛翔させて静電付着させると共に、搬送ローラ５７に沿って電極材料粉末の転写パターンをコントロールする制御プレート６０を設けるようにしたものも示される。なお、６１は定着ロールである。

特許文献２（特開２００３−１６３０１０号公報）あるいは特許文献３（特開２００３−１６３０１１号公報）には、静電複写機でのように、帯電させた感光体ドラムに光を照射して除電し、所望の電極像のパターンに電極材料粉末を静電力で付着させ、それを感光体ドラムと圧接ローラにて電解質膜に圧接転写して所望の電極とする方法と装置が記載されている。

特開２００２−３６７６１６号公報 特開２００３−１６３０１０号公報 特開２００３−１６３０１１号公報

上記した静電力を利用して搬送ローラ上の電極材料粉末を電解質膜に飛翔させる、あるいは感光体ドラムに所要パターンで静電付着した電極材料粉末を電解質膜に圧接転写する、燃料電池の電極製造方法は、触媒インクを塗布する湿式法と比較して、溶剤による電解質膜へのダメージ、電解質膜の膨潤・収縮および触媒インク乾燥時の電極のクラック発生などの問題を解決できる利点がある。本発明者らは乾式法による電極の製造に多く関与しているが、その過程で、精緻な電極像パターンを得ようとすると、搬送ローラ上に正確な電極材料粉末の電極像パターンが形成されなかったり、電解質膜に転写した電極像に乱れが生じることを経験した。その原因を知るべく、静電複写機の乾式転写と燃料電池電極を作製する場合での上記乾式法との異同について考えた。

静電複写機やレーザプリンタなどにおいても静電力を利用した乾式複写（転写）が行われる。そこでは、先ず、複写像あるいは印刷像を感光体ドラム上に帯電分布として作り、現像ローラ上に薄層付着させた帯電トナーを、現像ローラと感光体ドラム間に高電圧を印加してクーロン力により感光体ドラム上の帯電分布にあわせて静電付着させる。次に、該感光体ドラムと転写ローラとの間に高電圧を印可し、その間に用紙を搬送させることによって、該用紙上に感光体ドラム上のトナーを静電転写する。その後、定着ローラでトナーを用紙に熱圧着して定着する、という転写方法が採られており、感光体ドラム上の帯電分布にあわせた正確な複写像が用紙上に得られている。

上記の静電複写機での像形成方法と、前記した静電力を利用した燃料電池での電極製造方法は、原理的には同じであるのにかかわらず、電極製造においては、上記のように正確な転写像が得られない場合がある。その理由を実験をとおして次のように理解した。

１．静電複写機のトナーは１０^１４Ω程度の絶縁体であるのに対し、電極材料粉末は電極材料であり数Ω以下の導体である。また、静電複写機に使われる用紙は、表面抵抗率が１０^９〜１３Ω（吸湿性により環境によって変化する）の高抵抗であるが、電解質膜はそれと比較して低い抵抗値を示す（注１）し、電解質膜に電圧を加える、すなわち、高電界下で膜の表裏に電位差が生じると、導体としての挙動を示す。

注１：厚さ５ミルの電解質膜（ナフィオン膜）の表面抵抗率をＴＲＥＫ社製の表面抵抗計Ｍｏｄｅｌ １５２にＭｏｄｅｌ １５２Ｐ−ＣＲテストプローブを接続して測定すると、１０Ｖ印加時にて２×１０^５Ωと、低い抵抗値を示した。プローブをＭｏｄｅｌ １５２Ｐ−２Ｐに変え、２点法で抵抗を測っても、２×１０^５Ωであった。同じ電解質膜をアルミ板の上に載せ、Ｍｏｄｅｌ １５２Ｐ−２Ｐの一方の端子を膜上に、もう一方の端子をアルミ板上に置いて測定しても、２×１０^５Ωを示し、厚み方向にも低い抵抗材料であることが示された。

２．このような使用する材料物性の違いにより、静電力を利用して電極を製造する場合には、転写部で次のように問題が生じ、それが、精緻な転写像の形成を妨害している。

ａ．静電複写機では、感光体ドラムと用紙、転写ローラは、一般に、細部再現性をよくするために転写ローラが用紙を感光体ドラムに押し付けながら転写していく。これは、用紙の表面抵抗が１０^９〜１３Ω程度と高く、用紙紙面のみを帯電させてクーロン力によりトナーを感光体ドラムから用紙に転写できる。これに対し、燃料電池の電極製造では、用紙に相当する電解質膜の抵抗は２×１０^５Ωと低く、導体としての挙動を示すことから、特許文献２あるいは３に記載のように、圧接転写する形態を用いると、転写ローラから電解質膜、電極材料粉末を通り感光体ドラム表面まで電流が流れる。このため、感光体ドラム上の電極材料粉末に電流が流れ込んで帯電荷量が変化し、感光体ドラムの帯電分布とは異なるものとなる。これにより、電極材料粉末が移動し、現像された電極像の形が変化してしまい、正確な電極像の転写を妨げる場合がある。

ｂ．特許文献１に記載される装置では、転写用高圧電源により背面電極（上記転写ローラに相当する）５８と搬送ローラ２７間、すなわち、転写部間に高電界を作り、電極材料粉末を電解質膜に静電付着させると、電極材料粉末は、高圧電源、背面電極、電解質膜と流れる電流により電荷を喪失して逆極性に帯電し、転写時と逆方向に静電力を受け、感光体ドラムに逆飛翔する転写異常を起こすことがある（高電界電極間に置かれた導体球の電極内反射現象）。また、所要量の付着量を得るのが容易でない場合が起こる。特許文献１の装置では、転写パターンをコントロールする制御プレート６０を設けることにより、逆飛翔付着による電解質膜上の電極パターンの形状対策を行っているということもできるが、装置が複雑であり、高価な触媒を含んだ電極材料粉末が制御プレートに付着して利用効率が低下し、コスト高となる。さらに、装置を構成する他の部材から電解質膜５９に電流がながれて、帯電した電極材料粉末の電荷が失われることに対する対策もなされていない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、静電力を利用して電解質膜に電極材料粉末を転写して燃料電池の電極を製造する装置と方法において、電極パターンが精緻なものであっても、現像部に正確に電極像を形成することができ、さらに、電極材料粉末が一端受け取った電荷を逃がさないようにして、形成された電極像を転写異常を起こすことなく、そのままの状態で電解質膜上に静電力により転写することができるようにした燃料電池の電極製造装置と製造方法を提供することを目的とする。

本発明による燃料電池の電極製造装置は、帯電した電極材料粉末を電極形状に現像する機能を持つ現像部および電極材料粉末を現像部から電解質膜に静電力により転写する転写用高圧電源を持つ転写部とを少なくとも有する転写ユニットと、電解質膜上の電極材料粉末を定着する定着部とを少なくとも備えており、転写ユニットにおいて、転写部および電解質膜は現像部とは隔てて配置され、かつ、転写部には電解質膜に静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段が施されていることを特徴とする。

また、本発明による燃料電池の電極製造方法は、帯電した電極材料粉末を現像部において電極形状に現像する工程、現像された電極材料粉末を転写用高圧電源を有する転写部において現像部から電解質膜に静電力により転写する工程、電解質膜上の電極材料粉末を定着部において定着する工程とを少なくとも備えた燃料電池の電極製造方法であって、転写部において電極材料粉末が現像部から電解質膜に静電力により転写した後、（ａ）電極材料粉末に転写部からの電流が流れにくくすることによって、あるいは（ｂ）転写部の転写電界を弱くするあるいは無くすことによって、あるいは（ｃ）その双方によって、静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止し、それにより、転写部において、静電付着した電極材料粉末が現像部に逆飛翔する転写異常を生じさせないようにしたことを特徴とする。

本発明では、転写部および電解質膜は現像部とは隔てて配置されることにより、転写部あるいは電解質膜から現像部へ電流が流れることは実質的になく、現像部の電極像が変化するのを防止できる。また、転写部には電解質膜に静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段が施されているので、転写区間において、静電付着した電極材料粉末が現像部へ逆飛翔して転写異常を起こすのを確実に阻止することができる。それにより、電極パターンが精緻なものであっても、現像部に正確に電極像を形成することができ、かつ、電解質膜上にそのまま静電付着させることが可能となる。電解質膜上の電極材料粉末は精緻な電極パターンを保ったままで定着部に送られて定着されるので、精度の高い燃料電池電極を得ることができる。

転写部に形成する、電解質膜に静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段は、導体である電極材料粉末に転写部から電流を流れにくくする手段、例えば、転写部の電解質膜に面することとなる領域を高抵抗値を持つ材料で作製する手段、あるいは、転写部の電極と転写用高圧電源とを高抵抗値を持つ抵抗を介して接続する手段などであってよく、この場合、高抵抗値が１０ＭΩ〜１００ＧΩの範囲であれば、所期の目的を効果的に達成することができる。

電解質膜に静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための他の手段として、電極材料粉末が電解質膜に転写された後、直ちに転写用高圧電源を低電圧あるいは０Ｖとして転写部の転写電界を弱くするあるいは無くす手段であってもよい。電極材料粉末に働くクーロン力は、電荷×電界の強さであり、電極材料粉末が逆極性に帯電していても、現像部に逆転写するだけの強さの電界が無ければ、静電付着した電極材料粉末が現像部に逆飛翔する、すなわち逆転写することはない。従って、電極材料粉末が電解質膜に転写された後、直ちに転写用高圧電源を低電圧あるいは０Ｖとして転写部の転写電界を弱くするあるいは無くすことによっても、転写異常を生じさせないようにするという所期の目的を達成することができる。

上記の場合に、電極材料粉末に転写部から電流を流れにくくしておかないと、転写中に一度電解質膜に転写された電極材料粉末が転写中に逆帯電して逆飛翔する転写異常が生じる可能性がある。したがって、電極材料粉末が電解質膜に転写された後、直ちに転写用高圧電源を低電圧あるいは０Ｖとして転写部の転写電界を弱くするあるいは無くす手段と、電極材料粉末に転写部から電流を流れにくくする手段の双方を備えることにより、転写部において、電極材料粉末が現像部に逆飛翔する転写異常をより確実に防止することができる。

上記の電極製造装置において、抵抗値は、電解質膜の搬送速度および現像部を構成する感光体ドラムの回転速度にも依存する。電解質膜の搬送速度および現像部を構成する感光体ドラムの回転速度を１０倍にすれば、電極材料粉末を電解質膜に転写する転写区間を通過する時間が１／１０になるため、抵抗値を１／１０に下げることができる。そのことから、高抵抗値は送り速度との関連で１０ＭΩ〜１００ＧΩの範囲から実験的に最適値を選択すればよい。なお、抵抗値は、電解質膜が転写区間を通過する時間で決まるため、転写電極間隔を狭くするなど構造を変えることにより、また、将来、電解質膜強度が上がって現在よりも高速で搬送することができるようになれば、１０ＭΩ以下の抵抗値でも本発明の所期の目的を達成することが可能となると考えられる。一方、抵抗値が高いほど電解質膜への電極材料粉末の付着量が多くなるが、次の電極作製までに各部を除電する必要があるため、１００ＧΩ程度を上限とするのが実際的である。電極の製造時間をいとわない場合には、当然に、もっと高抵抗値であってもよい。

好ましくは、転写部を構成する部材以外の部材であって、電極の製造過程で電解質膜に接することとなる部材は、少なくとも電解質膜に接することとなる領域を高抵抗値を持つ材料で作製し、またはアースに接続して、これら部材から電解質膜に静電付着した電極材料粉末が帯電するのをなくすあるいは極力少なくし、それにより電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止できるように構成する。このようにすることによって、現像部に逆飛翔する転写異常を一層確実に阻止することが可能となる。なお、電極の製造過程で電解質膜に接することとなる部材としては、定着部、電解質膜のロール巻き出し、巻き取り部、搬送部、収納部などが挙げられる。

本発明は、予め所定の大きさの切断された電解質膜に対して電極材料粉末を定着するいわゆるバッチ式の電極製造に適用することもでき、また、ロール状の電解質膜を搬送しながらその上に連続的に電極材料粉末を定着していく連続式電極製造にも適用することができる。後者の場合に、前記した転写ユニットは装置全体で１個であってもよいが、２個以上の転写ユニットを電解質膜の搬送方向にタンデムに並べるようにしてもよい。それにより、任意の３次元構造を持つ電極を作製することができる。さらに、２個以上の転写ユニットを電解質膜の一面側にその搬送方向にタンデムに並べ、さらに、２個以上の転写ユニットを電解質膜の他面側にその搬送方向にタンデムに並べるようにしてもよい。このように転写ユニットを配置することにより、膜電極接合体での空気極と燃料極とを最適な構造で一度に作ることができる。

本発明によれば、静電力を利用して電解質膜に電極材料粉末を転写して燃料電池の電極を製造する際に、電極パターンが精緻なものであっても、現像部に正確に電極像を形成することができる。また、電極材料粉末が一端受け取った電荷を逃がさないようにして、あるいは転写直後に転写部の電界を実質的に無くすことによって、形成された電極像を転写異常を起こすことなく、そのままの状態で電解質膜上に静電力により転写することができる。それにより、設計値どおりの燃料電池電極を確実に製造することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態および実施例

以下、図面を参照しながら実施の形態および実施例に基づき本発明を説明する。

図１は本発明による燃料電池の電極製造装置の一例を示す模式図である。図１において、Ａは転写ユニットであり、帯電した電極材料粉末を電極形状に現像する機能を有する現像部の一部を構成するアルミ平板電極１と、電極材料粉末を現像部から電解質膜に静電力により転写する転写用高圧電源を有する転写部の一部を構成するアルミ平板電極２とを備え、アルミ平板電極２には高抵抗樹脂シート３が積層され、高抵抗樹脂シート３には電解質膜４が貼り付けてある。高抵抗樹脂シート３は、本発明でいう電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段としての高抵抗値を持つ材料の一例である。アルミ平板電極１には現像パターンで電極材料粉末５が載せてあり、高圧電源６のｏｕｔ端子がアルミ平板電極１側に、ｒｅｔｕｒｎ端子がアルミ平板電極２側に接続している。この高圧電源６は、本発明でいう「電極材料粉末を現像部から電解質膜に静電力により転写する転写用高圧電源」に相当する。なお、図１には電解質膜上の電極材料粉末を定着する定着部は示されないが、電極材料５を静電転写した電解質膜４は、アルミ平板電極２から取り外され、定着部で加熱定着されて、燃料電池電極となる。

転写ユニットＡを実際に用いて電極を作製した例を［実施例１］として比較例と共に説明する。

［実施例１］
最初に、高圧電源６のｏｕｔ端子に１００ｍｍ×１００ｍｍ，厚さ２ｍｍのアルミ平板電極１を接続し、電極材料粉末５（粒径１〜１０μｍのＰｔ担持カーボン粉末と電解質樹脂とからなる）を５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形形状で５．８ｍｇＰｔ／ｃｍ^２堆積した。高圧電源６のｒｅｔｕｒｎ端子には、アルミ平板電極１と同じサイズのアルミ平板電極２を接続し、住友スリーエム（株）製両面導電性テープＸ−７００１を用いて、高抵抗樹脂シート３を接着した。高抵抗樹脂シート３はアキレス（株）製マジキリＩＩで、表面抵抗１．５×１０^１２Ω、体積抵抗率１．５×１０^１１Ωｃｍ、厚さ１ｍｍである。この上に、電解質膜４を貼り付けた。高圧電源６は、ＴＲＥＫ社高圧電源６１０Ｄである。電極間隔は３ｍｍとした。

図１の構成として、−４０００Ｖの高電圧を印加した。電解質膜４に静電付着した電極材料粉末５は、０．１４ｍｇＰｔ／ｃｍ^２であった。アルミ平板電極２には、電極材料粉末が逆飛翔して付着した形跡はなかった。

［比較例１］
他の条件は同じとし、高抵抗樹脂シート３をアキレス（株）製ビニラスに変えて実験を行った。ビニラスは、表面抵抗１×１０^１１Ω、体積抵抗率１×１０^９Ωｃｍ、厚さ０．２ｍｍである。電解質膜４に静電付着した電極材料粉末５は、０．０９ｍｇＰｔ／ｃｍ^２と少なくなった。また、アルミ平板電極２には最初に堆積した電極像の周辺に電極材料粉末５が付着しているのが観察された。

［考察］
比較例で用いてビニラスの厚み方向抵抗は、１×１０^９Ωｃｍ×０．０２ｃｍ＝２０ＭΩであり、実施例１で用いてマジキリＩＩの厚み方向抵抗は、１．５×１０^１１Ωｃｍ×０．１ｃｍ＝１５ＧΩと約３桁高い。そのために、比較例においては電極材料粉末の一部が逆極性に帯電して逆飛翔が生じ、電解質膜４への電極材料粉末付着量の減少分が、最初に堆積した電極像の周辺に付着したものと考えられる。

図２は本発明による燃料電池の電極製造装置の他の例を示す模式図である。この装置Ｂでは、ロール状の電解質膜１０が用いられ、電解質膜巻き出しローラ１１から送り出された電解質膜１０は電解質膜巻き取りローラ１２に巻き取られて収納される。巻き出しローラ１１と巻き取りローラ１２の間には、搬送ローラ１３、転写ローラ１４、搬送ローラ１５、定着ローラ１６、１６が、この順で電解質膜１０の搬送方向に配置される。転写ローラ１４の電極にはマイナスに設定した転写用高圧電源１７が高抵抗１８を介して接続している。この例では、搬送される電解質膜１０はこれらの各ローラに裏面を接するようにして送られる。

また、転写ローラ１４は、すべりを良くするため、アルミパイプに体積抵抗率１×１０^９Ωｃｍ、厚さ０．２ｍｍの樹脂１４ａをコーティングしている。さらに、電解質膜巻き出しローラ１１、電解質膜巻き取りローラ１２、搬送ローラ１３、１５、定着ローラ１６、１６は、すべて体積抵抗率１×１０^１１Ωｃｍ、厚さ２ｍｍ以上の樹脂１１ａ，１２ａ，１３ａ，１５ａ，１６ａでそれぞれコーティングされ、アースされている。

転写ローラ１４に対向するようにして、感光体ドラム２０が配置される。感光体ドラム２０は転写ローラ１４上を走る電解質膜１０から離れた位置にあり、接することはない。電界強度や電極材料粉末の種類などによって異なるが、両者は０．２〜５ｍｍ程度離して設置される。感光体ドラム２０には帯電ローラ２１が接しており、感光体ドラム２０の表面を一様に帯電する。帯電ローラ２１の感光体ドラム２０の回転方向下流側にはレーザ光学系２２が位置しており、レーザが感光体ドラム２０の表面に照射される。照射パターンは、形成しようとする燃料電池電極形状以外の部分であり、その結果、感光体ドラム２０上に燃料電池電極形状と同じマイナスの電荷を持つ電荷像が形成される。

レーザ光学系２２の感光体ドラム２０の回転方向下流側には、電極材料粉末槽３０が位置している。電極材料粉末槽３０は現像ローラ３１を有し、マイナスに設定された現像用高圧電源３２が接続している。３３は薄膜形成ブレードであり、電極材料粉末５を現像ローラ３１上に均一に付着させる。薄膜形成ブレード３３はプラスに設定された電極材料粉末帯電用高圧電源３４に接続しており、電極材料粉末５はプラスに帯電される。

現像ローラ３１上に付着した電極材料粉末５は現像ローラ３１と感光体ドラム２０間に生成される電界により、クーロン力を受けて飛翔し、感光体ドラム２０のマイナスに帯電した電荷像に静電付着する。従って、感光体ドラム２０上に、プラスに帯電した電極材料粉末５の燃料電池電極像が形成される。そのプラスに帯電した電極像（電極材料粉末５）は直ちに感光体ドラム２０と転写ローラ１４の間に生成される電界によりクーロン力を受け、電解質膜１０に飛翔付着する。

電解質膜１０に付着した電極材料粉末５は定着ローラ１６、１６により熱圧着され、電解質膜１０に定着される。作製された燃料電池電極は巻き取りローラ１２に巻き取られる。また、感光体ドラム２０上に残った電極材料粉末５は、感光体ドラムクリーナ用ブレード２３により、感光体ドラム２０の表面から剥ぎ取られ、電極材料粉末収納ボックス２４に収納される。この電極材料粉末は再利用される。また、ドラムクリーナ用ブレード２３はアースされており、感光体ドラム２０のクリーニングと除電を同時に行う。

上記の装置において、電解質膜巻き出しローラ１１、電解質膜巻き取りローラ１２、搬送ローラ１３、１５、定着ローラ１６、１６は、高抵抗値である樹脂でコーティングされかつアースされている。そのために、これらのローラから電解質膜１０上に転写された電極材料粉末に流れ込む電流はほとんどなく、また、転写ローラ１４も高抵抗であり電流がほとんど流れないので、感光体ドラム２０と転写ローラ１４の間の強電界間を通過する間に電解質膜に付着した電極材料粉末が逆帯電して、感光体ドラム２０に逆飛翔することはない。

［実施例２］
図２に示した装置で燃料電池電極を作製した。電極材料粉末５として実施例１で使用したものと同じものを用いた。それを電極材料粉末槽３０に充填した。電解質膜１０はロール状であることを除き、実施例１で使用したものと同じ電解質膜を用いた。帯電ローラ２１により、感光体ドラム２０の表面を約−７００Ｖに均一に帯電させた後、レーザ光学系２２より所要のレーザを照射した。

薄膜形成ブレード３３には電極材料粉末帯電用高圧電源３４により＋２００Ｖの電圧を加え、電極材料粉末５をプラスに帯電した。現像用高圧電源３２を−５００Ｖに設定して、現像ローラ３１上に電極材料粉末５を付着させた。付着した電極材料粉末５をクーロン力により感光体ドラム２０に向けて飛翔させ、感光体ドラム２０のマイナスに帯電した電荷像に静電付着させた。感光体ドラム２０上には予め設定したとおりの像が得られた。

感光体ドラム２０と転写ローラ１４は２ｍｍだけ離して設置した。また、電解質膜１０は搬送ローラ１３、１５により２０ｍｍ／ｓｅｃの速度で搬送した。転写ローラ１４の電極には１０ＧΩの高抵抗１８を介して転写用高圧電源１７を接続し、転写用高圧電源１７は−４０００Ｖの高電圧を転写ローラ１４に印加するようにした。それにより、プラスに帯電した感光体ドラム２０上の電極材料粉末５は直ちに、感光体ドラム２０と転写ローラ１４の間に生成する高電界によりクーロン力を受けて飛翔し電解質膜１０に付着転写した。その後、定着ローラ１６、１６により定着した電極とした。

電解質膜１０への電極材料粉末５の付着量は０．１７ｍｇＰｔ／ｃｍ^２であった。また、付着転写した電極像は、感光体ドラム２０に静電付着した電極像と同じものであり、電極材料粉末５が逆飛翔して付着した形跡は観察されなかった。

［実施例３］
図２に示す装置において、転写ローラ１４にコーティング樹脂を、体積抵抗率１×１０^１１Ωｃｍ、厚さ１ｍｍのものに置き換えた。他の条件は実施例２と同じにして電極を作製した。電解質膜１０への電極材料粉末５の付着量は０．２０ｍｇＰｔ／ｃｍ^２に増加した。また、付着転写した電極像は、感光体ドラム２０に静電付着した電極像と同じものであり、電極材料粉末５が逆飛翔して付着した形跡は観察されなかった。

［実施例４］
図２に示す装置から高抵抗１８を取り除いた以外は、実施例２と同じ条件で電極を作製した。電解質膜１０への電極材料粉末５の付着量は０．１４ｍｇＰｔ／ｃｍ^２であった。付着転写した電極像は感光体ドラム２０に静電付着した電極像と同じものであったが、わずかに電極材料粉末５が逆飛翔して付着した形跡は観察された。しかし、電極としての機能を低下させることはなかった。高抵抗１８を取り除いたことにより、極微量の電極材料粉末５が逆飛翔したものと解される。

［実施例５］
図２に示す装置から高抵抗１８を取り除いた以外は、実施例２と同じ条件で電極を作製した。ただし、転写用高圧電源１７は、感光体ドラム２０が回転し、感光体ドラム２０に付着した電極材料粉末５の電極像の先端が電解質膜１０の上部に達した時に高電圧を出力し、電極像の後端が電解質膜１０の上部まで回転した時に０Ｖとなるように制御した。すなわち、感光体ドラム２０上の電極像が電解質膜１０の上部にある時間のみ高電圧を印加して転写電界を形成した。電解質膜１０への電極材料粉末５の付着量は実施例４と同じであり、付着転写した電極像は感光体ドラム２０に静電付着した電極像と同じものであった。そして、電極材料粉末５が逆飛翔して付着した形跡は全く観察されなかった。

［比較例２］
図２に示す装置を感光体ドラム２０と転写ローラ１４とが接するように改変した。その装置を用いて、実施例２と同じ条件で電極を作製した。結果は、電極形状が変化したり、中抜け、飛散粉末がある電極が作成されることがあった。これは、転写用高圧電源１７から高抵抗１８、転写ロール１４、電解質膜１０へ流れる電流は非常に小さいが、感光体ドラム２０上の電極材料粉末５の帯電荷量を変化させ、電極材料粉末５と感光体ドラム２０間の付着力を変化させるに十分な場合があったものと考えられる。

［比較例３］
図２に示す装置に、転写ローラ１４から抵抗１８を取り外す改変と、体積抵抗率１×１０^９Ωｃｍ、厚さ０．２ｍｍの樹脂コーティングを除去する改変の双方を行った装置を用意し、その装置を用いて、実施例２と同じ条件で電極を作製した。結果は、電極形状の変化、中抜け、飛散粉末の発生が生じた。比較例２と異なり、大電流が流れ込むため、感光体２０上の電極材料粉末５の帯電荷量が大きく変化し、感光ドラム２０との付着力が変化したためと考えられる。

図３は本発明による燃料電池の電極製造装置のさらに他の例を示す模式図である。この装置Ｂ１では、図２に示す装置Ｂでの、転写ローラ１４、転写用高圧電源１７、高抵抗１８からなる転写部と、感光体ドラム２０、帯電ローラ２１、レーザ光学系２２、電極材料粉末槽３０などからなる現像部とを１つの転写ユニット４０としたものが、電解質膜１０の搬送方向に、複数個（図示のものでは３個）、タンデムに並べられている。そして、各転写ユニット４０において、電解質膜１０は転写ローラ１４に対して間隔をおいて搬送されるようにセットしてある。他の構成は図２に示したものと同じである。もちろん、すべての転写ユニット４０において、電解質膜１０は転写ローラ１４に接していてもよく、一部の転写ユニット４０においてのみ、電解質膜１０と転写ローラ１４が接していても差し支えない。

このようにタンデムに複数個の転写ユニット４０を配置することにより、上記した本発明による固有の効果を維持しながら、３次元的に変化のある電極像を電解質膜１０の上に形成することができる。

図４は本発明による燃料電池の電極製造装置のさらに他の例を示す模式図である。この装置Ｂ２では、前記した転写ユニット４０が、電解質膜の一面側（例えば燃料極側）に電解質膜１０の搬送方向に複数個（図示のものでは３個）タンデムに並べられており、さらに、電解質膜の他面側（例えば空気極側）にも、向きを逆転した状態で、電解質膜１０の搬送方向に複数個（図示のものでは３個）タンデムに並べられている。

この装置では、上記した本発明による固有の効果を維持しながら、電解質膜１０の両面に一連の工程で、３次元的に変化のある電極像を形成することができる。なお、図示の例では、燃料極側の転写後に定着ローラ１６ａを配置し、空気極側の転写後にも定着ローラ１６ｂを配置しているが、電極材料粉末や電解質膜１０への熱圧着によるダメージを低減するために、先行する側の定着ローラ、すなわち燃料極側の転写後に定着ローラ１６ａを省略することもできる。

特に図示しないが、図２〜図４に示す本発明の装置において、感光体ドラム２０に換えて、ベルト式のものを用いることもできる。また、転写ローラ１４に換えて、図１に示した装置Ａでのように、平板状の電極を用いることもできる。その場合に、電解質膜１０は、感光ベルト側の電極および転写用の平板電極の双方に平行な姿勢で搬送されることが好ましい。

本発明による燃料電池の電極製造装置の一例を示す模式図。 本発明による燃料電池の電極製造装置の他の例を示す模式図。 本発明による燃料電池の電極製造装置のさらに他の例を示す模式図。 本発明による燃料電池の電極製造装置のさらに他の例を示す模式図。 固体高分子型燃料電池で用いられる膜電極接合体を説明するための模式図。 従来の燃料電池の電極製造装置の一例を示す模式図。

符号の説明

１０…ロール状の電解質膜、１１…電解質膜巻き出しローラ、１２…電解質膜巻き取りローラ、１３、１５…搬送ローラ、１４…転写ローラ、１６…定着ローラ、１７…転写用高圧電、１８…高抵抗、１４ａ、１１ａ，１２ａ，１３ａ，１５ａ，１６ａ…樹脂コーティング、２０…感光体ドラム、２１…帯電ローラ、２２…レーザ光学系、２３…感光体ドラムクリーナ用ブレード、２４…電極材料粉末収納ボックス、３０…電極材料粉末槽、３１…現像ローラ、３２…現像用高圧電源、３３…薄膜形成ブレード、３４…電極材料粉末帯電用高圧電源

Claims (4)

1. 帯電した電極材料粉末を電極形状に現像する機能を持つ現像部および電極材料粉末を現像部から電解質膜に静電力により転写する転写用高圧電源を持つ転写部とを少なくとも有する転写ユニットと、電解質膜上の電極材料粉末を定着する定着部とを少なくとも備えており、転写ユニットにおいて、転写部および電解質膜は現像部とは隔てて配置され、かつ、転写部には電解質膜に静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段が施されている燃料電池の電極製造装置であり、
   前記電極材粉末が逆極性に帯電するのを防止するための手段が、電極材料粉末が電解質膜に転写された後、直ちに転写用高圧電源を低電圧あるいは０Ｖとして転写部の転写電界を弱くするあるいは無くす手段であることを特徴とする燃料電池の電極製造装置。
2. ２個以上の転写ユニットが電解質膜の搬送方向にタンデムに並べられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電極製造装置。
3. ２個以上の転写ユニットが電解質膜の一面側にその搬送方向にタンデムに並べられており、さらに、２個以上の転写ユニットが電解質膜の他面側にその搬送方向にタンデムに並べられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の電極製造装置。
4. 帯電した電極材料粉末を現像部において電極形状に現像する工程、現像された電極材料粉末を転写用高圧電源を有する現像部とは隔てて配置される転写部において現像部から電解質膜に静電力により転写する工程、電解質膜上の電極材料粉末を定着部において定着する工程とを少なくとも備えた燃料電池の電極製造方法であって、転写部において電極材料粉末が現像部から電解質膜に静電力により転写した後、直ちに転写部の転写電界を弱くするあるいは無くすことによって、静電付着した電極材料粉末が逆極性に帯電するのを防止し、それにより、転写部において、静電付着した電極材料粉末が現像部に逆飛翔する転写異常を生じさせないようにしたことを特徴とする燃料電池の電極製造方法。

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