JP6142802B2 - 電極層の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極層の製造装置に関するものである。

燃料電池は、電解質膜とこれを挟持する一対の触媒層と、これら一対の触媒層を挟持する一対のガス拡散層と、これら一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備える。
上記一対の触媒層は、一対の電極層であるカソードおよびアノードである。これら一対の触媒層はいずれも、触媒担体と触媒担体に担持された触媒とを含む。ここで、触媒担体としてはカーボンが一般に用いられ、触媒担体に担持される触媒としては白金等が好ましく用いられる。
上記触媒層は例えば、電解質膜あるいはガス拡散層を電極基材とし、その表面に触媒層の材料を含む塗料を塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することで、製造される（特許文献１等）。
二次電池の活物質層も同様に、金属箔等の集電体を電極基材とし、その表面に活物質層の材料を含む塗料を塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することで、製造される。二次電池の活物質層において、活物質としてカーボンが用いられることがある。
本明細書では、燃料電池の触媒層および二次電池の活物質層等を含めて、「電極層」と言う。

特開2010-050016号公報

カーボンを含む電極層の製造方法においては、塗膜の乾燥過程でカーボンの凝集が起こり、乾燥工程後に得られる電極層に、断面視において、電極層の下面から上面に柱状に延びるカーボン凝集部が形成されることがある（後記比較例１を参照）。かかる電極層では、断面視において、互いに隣接するカーボン凝集部の間に電極層の下面から上面に渡る空隙部が見られる（後記比較例１を参照）。かかる現象は、特に高速乾燥時に生じやすい。
電極層に上記のような空隙部があると、空隙部への応力集中により電極層のひび割れが起こりやすくなる。電極層のひび割れは、これが搭載される電池の耐久性低下あるいは出力低下等の要因となり得る。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、乾燥工程におけるカーボンの凝集を抑制することが可能な電極層の製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明の電極層の製造装置は、
電極基材の表面にカーボンを含む塗膜を形成する塗工装置と、前記塗膜を乾燥して電極層とする乾燥装置とを備えた電極層の製造装置であって、
乾燥中の前記電極基材を振動する振動手段を備えたものである。

本発明によれば、乾燥工程におけるカーボンの凝集を抑制することが可能な電極層の製造装置を提供することができる。

燃料電池の模式断面図である。 本発明に係る一実施形態の電極層の製造装置を示す模式斜視図である。 図２の設計変更例を示す模式斜視図である。 図１に示す製造装置を用いて製造された電極層のＳＥＭ表面写真の例とその断面模式図である（実施例１）。 従来の製造装置を用いて製造された電極層のＳＥＭ表面写真の例とその断面模式図である（比較例１）。

「燃料電池」
図面を参照して、燃料電池の概略構成について説明する。
図１は、燃料電池の模式断面図である。

燃料電池１００は、電解質膜１１０とこれを挟持する一対の触媒層と、これら一対の触媒層を挟持する一対のガス拡散層１６０、１７０と、これら一対のガス拡散層１６０、１７０を挟持する一対のセパレータ１８０、１９０とを備える。
上記一対の触媒層は、一対の電極層であるカソード１２０およびアノード１３０である。これら一対の触媒層はいずれも、触媒担体と触媒担体に担持された触媒とを含む。ここで、触媒担体としてはカーボンが一般に用いられ、触媒担体に担持される触媒としては白金等が好ましく用いられる。
燃料電池１００において、カソード１２０側には、酸化ガスとしての空気が供給され、アノード１３０側には、燃料ガスとしての水素が供給される。

電解質膜１１０は例えば、パーフルオロスルホン酸等からなるプロトン伝導性のイオン交換膜である。

ガス拡散層１６０、１７０は、導電性を有する多孔質部材である。
ガス拡散層１６０、１７０は例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパ等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュおよび発砲金属等の金属多孔質体等からなる。

セパレータ１８０、１９０は、ガス不透過の導電性部材からなる。
セパレータ１８０、１９０は例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、あるいはプレス成形された金属板等からなる。
セパレータ１８０は片面（図示左面）に複数の凹部が形成されており、これら複数の凹部によって、セパレータ１８０とガス拡散層１６０との間に、ガス拡散層１６０に酸化ガスとしての空気を供給するための酸化ガス供給流路１４０が形成されている。
セパレータ１９０は片面（図示右面）に複数の凹部が形成されており、これら複数の凹部によって、セパレータ１９０とガス拡散層１７０との間に、ガス拡散層１７０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料ガス供給流路１５０が形成されている。

燃料電池１００の外周部には、酸化ガス供給流路１４０および燃料ガス供給流路１５０におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。

本実施形態において、カソード１２０は、電解質膜１１０あるいはガス拡散層１６０を電極基材とし、その表面に触媒層の材料を含む塗料を塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することで、製造される。
同様に、アノード１３０は、電解質膜１１０あるいはガス拡散層１７０を電極基材とし、その表面に触媒層の材料を含む塗料を塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することで、製造される。

二次電池の活物質層も同様に、金属箔等の集電体を電極基材とし、その表面に活物質層の材料を含む塗料を塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することで、製造される。二次電池の活物質層において、活物質としてカーボンが用いられることがある。

「電極層の製造装置」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の電極層の製造装置とこれを用いた電極層の製造方法について説明する。
図２は、本実施形態の電極層の製造装置の模式斜視図である。この図は、電極層を製造している様子を示している。

本実施形態の電極層の製造装置１は、
帯状の電極基材１１を送り出す送出しローラ２０と、
電極基材１１の表面にカーボンを含む塗膜１２を形成する塗工装置３０と、
塗膜１２を乾燥して電極層１３とする乾燥装置４０と、
電極層１３が形成された電極基材１１を巻き取る巻取りローラ５１とを備えている。
塗工装置３０は、塗工ダイ等である。
乾燥装置４０は、乾燥炉等である。
図中、乾燥装置４０内は透視図で図示してある。

電極層の製造装置１には、必要に応じて、単数または複数の搬送用ローラが設けられる。
図示する例では、搬送用ローラ６１〜６３が設けられている。
搬送用ローラ６１は、塗工装置３０の下方に設けられ、塗膜１２の形成時に電極基材１１を下方から支持する支持部材を兼ねている。
搬送用ローラ６１、６２は、乾燥装置４０と巻取りローラ５１との間に設けられている。搬送用ローラ６１と搬送用ローラ６２とは、電極基材１１を挟んで互いに対向配置されている。

電極層１３が上記の燃料電池１００のカソード１２０である場合、電極基材１１は電解質膜１１０あるいはガス拡散層１６０である。
電極層１３が上記の燃料電池１００のアノード１３０である場合、電極基材１１は電解質膜１１０あるいはガス拡散層１７０である。
電極層１３が二次電池の活物質層である場合、電極基材１１は金属箔等の集電体である。

本実施形態の電極層の製造装置１は、乾燥中の電極基材１１を振動する振動手段を備えている。振動手段による電極基材１１の振動方向は特に制限なく、電極基材１１の幅方向が好ましい。振動手段はまた、電極基材１１に物理的に接触して電極基材１１を振動させる振動部材を含むことが好ましい。

本実施形態の電極層の製造装置１は、巻取りローラ５１およびこれを電極基材１１の幅方向に振動させる振動装置（図示略）とを含む振動手段５０を備えている。
振動装置によって巻取りローラ５１が電極基材１１の幅方向に振動され、この巻取りローラ５１の振動によって巻取りローラ５１に物理的に接触する電極基材１１が幅方向に振動される。
巻取りローラ５１の振動は、乾燥装置４０と巻取りローラ５１との間の電極基材１１のみならず、乾燥装置４０内の電極基材１１にも伝搬する。すなわち、振動手段５０によって、乾燥装置４０内の電極基材１１が振動される。

図３に示す設計変更例の電極層の製造装置２のように、振動手段５０の代わりに、搬送用ローラ６１、６２およびこれらを電極基材１１の幅方向に振動させる振動装置（図示略）とを含む振動手段６０を設けてもよい。
この場合も、振動装置によって搬送用ローラ６１、６２が電極基材１１の幅方向に振動され、これら搬送用ローラ６１、６２の振動によって搬送用ローラ６１、６２に物理的に接触する電極基材１１が幅方向に振動される。
搬送用ローラ６１、６２の振動は、乾燥装置４０と搬送用ローラ６１、６２との間の電極基材１１のみならず、乾燥装置４０内の電極基材１１にも伝搬する。すなわち、振動手段６０によって、乾燥装置４０内の電極基材１１が振動される。

振動手段５０または６０による振動強度は、乾燥装置４０内の電極基材１１が良好に振動される範囲で設定される。
電極基材１１は乾燥初期から振動が付与されることが好ましい。すなわち、乾燥装置４０内の電極基材１１が全体的に振動されることが好ましい。
振動手段５０または６０によって乾燥装置４０内の電極基材１１に付与される振動は例えば、１〜１０Ｈｚ程度の微小振動でよい。この場合、乾燥装置４０内の電極基材１１の振幅は０．５〜１０ｍｍ程度である。

振動手段５０または６０によって乾燥中の電極基材１１を振動することで、塗膜１２中でカーボンが凝集することを抑制でき、カーボン凝集部のないまたは少ない略均一な電極層１３を製造できる。

図５は、振動手段を備えていない従来の製造装置を用いて製造された電極層のＳＥＭ表面写真の例とその断面模式図である（比較例１）。なお、断面模式図では、電極基材を薄く図示してある（図４も同様）。
図中、符号２１１は電極基材、符号２１３は従来の電極層、符号Ｃはカーボン粒子、符号ＣＸはカーボン凝集部、符号Ｓは空隙部である。
比較例１の電極層２１３には、断面視において、電極層２１３の下面から上面に柱状に延びるカーボン凝集部ＣＸが見られた。図５のＳＥＭ写真において、白く隔壁のように見える部分がカーボン凝集部ＣＸである。電極層２１３の全体に渡って、カーボン凝集部ＣＸが網目状に広がっている様子が見られた。
断面視において、互いに隣接するカーボン凝集部ＣＸの間に空隙部Ｓが見られた。図５のＳＥＭ写真において、黒く見える部分が空隙部Ｓである。個々の空隙部Ｓは断面視で電極層２１３の下面から上面に渡っており、電極層２１３の全体に渡ってドット状に多数の空隙部Ｓが広がっている様子が見られた。このような空隙部Ｓがあると、空隙部Ｓへの応力集中により電極層２１３のひび割れが起こりやすくなる。

図４は、振動手段５０を備えた本実施形態の製造装置１を用いて製造された電極層のＳＥＭ表面写真の例とその断面模式図である（実施例１）。
図中、符号Ｃはカーボン粒子である。
実施例１の電極層１３には、断面視で、複数のカーボン粒子Ｃが厚み方向に凝集したカーボン凝集部ＣＸが見られなかった。実施例１の電極層１３では、膜全体にカーボン粒子Ｃが良好に分散され、電極層１３の厚み方向に延びた大きな空隙部Ｓは見られなかった。
図４に示すように、乾燥中の電極基材１１を振動することで、塗膜１２中でカーボンが凝集することを抑制でき、カーボン凝集部ＣＸのないまたは少ない略均一な電極層１３を製造できた。この電極層１３では、膜全体にカーボンＣが良好に分散され、厚み方向に延びた大きな空隙部Ｓは見られないので、応力集中が起こりにくく、ひび割れが生じにくい。

なお、電極基材１１を振動させながら、電極層１３が形成された電極基材１１を巻き取ると、巻取りの端部が揃わなくなる恐れがある。その場合、振動付与と振動停止とを繰り返し、振動停止中に電極層１３が形成された電極基材１１を巻き取るようにすればよい。

本実施形態では、電極基材１１の片面に塗膜１２を形成し、これを乾燥する場合について説明したが、本発明は、電極基材１１の両面に塗膜１２を形成し、これを乾燥する場合にも適用可能である。

以上説明したように、本実施形態およびその設計変更例によれば、乾燥工程におけるカーボンの凝集を抑制することが可能な電極層の製造装置１、２を提供することができる。

本発明の電極層の製造装置は、燃料電池の触媒層および二次電池の活物質層等の電極層の製造に好ましく適用できる。

１、２ 電極層の製造装置
１１ 電極基材
１２ 塗膜
１３ 電極層
２０ 送出しローラ
３０ 塗工装置
４０ 乾燥装置
５０ 振動手段
５１ 巻取りローラ
６０ 振動手段
６１、６２ 搬送用ローラ

Claims (1)

1. 電極基材の表面にカーボンを含む塗膜を形成する塗工装置と、前記塗膜を乾燥して電極層とする乾燥装置と、前記電極層が形成された前記電極基材を巻き取る巻取りローラとを備えた電極層の製造装置であって、
   乾燥中の前記電極基材を振動する振動手段を備え、
   前記電極基材に対して前記振動手段による振動付与と振動停止とを繰り返し、振動停止中に前記巻取りローラに前記電極層が形成された前記電極基材を巻き取る電極層の製造装置。