JP6848777B2

JP6848777B2 - 触媒転写方法

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Publication number: JP6848777B2
Application number: JP2017175041A
Authority: JP
Inventors: 聡三郎大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: JP2019053822A

Description

本発明は、燃料電池の電解質膜に触媒を転写する触媒転写方法に関する。

この種の触媒転写方法として、触媒層形成用塗液をシートとしての転写フィルムの表面に塗布する塗布工程と、塗布された触媒層形成用塗液を乾燥させて多孔質状の触媒層を形成する乾燥工程と、転写フィルム上の触媒層を電解質膜の表面に転写する転写工程と、転写フィルムを、電解質膜の表面に転写された触媒層から剥離する剥離工程とを含む触媒転写方法が開示されている（特許文献１参照）。

従来の触媒転写方法においては、乾燥工程で転写フィルムに触媒層が形成され、転写工程で転写フィルムの触媒層が電解質膜へ押し付けられ、加熱加圧されて電解質膜へ転写される。次いで、剥離工程で転写後の転写フィルムが触媒層から剥離される。

特開２０１２−２２１９２８号公報

しかしながら、従来の触媒転写方法においては、シートとしての転写フィルムには、残留触媒が付着している場合や、転写工程における加熱加圧によりシートが変形している場合があるので、剥離工程で剥離された転写フィルムをそのまま再利用することができない。したがって、燃料電池の電解質膜および触媒層の生産コストを低減することが困難になってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池の電解質膜に触媒を転写するシートを再利用することができ、生産コストの低減を図ることができる触媒転写方法を提供することを課題とする。

本発明に係る触媒転写方法は、シートに触媒を塗工する工程と、塗工された前記触媒を燃料電池の電解質膜に転写する工程と、前記シートと残留触媒との付着力よりも、前記残留触媒に対する接着力が強いフィルムを、弾性ロールを用いて前記シートに圧着させることによって前記残留触媒を除去する工程と、前記シートを、所定温度および所定圧力でプレスしつつ、所定張力を加えて搬送する工程と、を含む触媒転写工程を、同一のシートを用いて複数回繰り返すことを特徴とする。

本発明に係る触媒転写方法においては、触媒を燃料電池の電解質膜に転写する工程の後に、シートと残留触媒との付着力よりも、残留触媒に対する接着力が強いフィルムを、弾性ロールを用いてシートに圧着させることによって残留触媒を除去する工程が設けられている。さらに、シートを、所定温度および所定圧力でプレスしつつ、所定張力を加えて搬送する工程が設けられている。その結果、残留触媒を除去する工程により、シートに残留している触媒が除去される。さらに、所定温度および所定圧力でプレスしつつ、所定圧力を加えて搬送する工程により、転写の際の加熱加圧によって生ずるシートの変形が矯正され、シートを再び利用することができる状態になる。

本発明によれば、燃料電池の電解質膜に触媒を転写するシートを再利用することができ、生産コストの低減を図ることができる触媒転写方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る触媒転写方法により作製されるアノード触媒層およびカソード触媒層付電解質膜の図であり、図１（ａ）は、アノード触媒層およびカソード触媒層付電解質膜の分解斜視図を示し、図１（ｂ）は、アノード触媒層およびカソード触媒層付電解質膜の断面図を示す。本発明の実施形態に係る触媒転写方法の工程を示す工程図。本発明の実施形態に係る触媒転写方法に適用する触媒インク塗布装置を模式的に示す説明図。本発明の実施形態に係る触媒転写方法に適用する転写装置を模式的に示す説明図。本発明の実施形態に係る触媒転写方法に適用する残留触媒除去装置を模式的に示す説明図。本発明の実施形態に係る触媒転写方法に適用するシート矯正装置を模式的に示す説明図。本発明の実施形態に係る触媒転写方法における各構成要素の流れを示すフローチャート。

本発明に係る触媒転写方法を適用した実施形態に係る触媒転写方法について図面を参照して説明する。まず、実施形態に係る触媒転写方法により作製されるアノード触媒層およびカソード触媒層付電解質膜（以下触媒層電解質膜接合体という。）１０の構成について説明する。

実施形態に係る触媒層電解質膜接合体１０は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に転写されたアノード触媒層１２と他方の面に転写されたカソード触媒層１３とにより構成されている。触媒層電解質膜接合体１０は、シート状に形成されロール状に巻き取られる。

なお、触媒層電解質膜接合体１０には、アノード触媒層１２の外側にアノード側ガス拡散層が積層され、カソード触媒層１３の外側にカソード側ガス拡散層が積層される。さらに、一対のセパレータやガスケットが組み込まれて燃料電池セルが形成される。この燃料電池セルが複数個重ね合わされて積層され、図示しない燃料電池が形成される。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、本発明に係る触媒転写方法の触媒に対応する。

電解質膜１１は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜１１は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード触媒層１２からカソード触媒層１３に移動させる機能を有している。

アノード触媒層１２は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜１１と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１２は、水素ガスをプロトンと電子に分解する機能を有している。

カソード触媒層１３は、アノード触媒層１２と同様の材料で形成されているが、アノード触媒層１２と異なり、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。

次いで、実施形態に係る触媒転写方法について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る触媒転写方法は、図２に示すように、塗工工程と、転写工程と、除去工程と、搬送工程とを含む触媒転写工程で構成され、この触媒転写工程を同一の基材シート２０を用いて複数回繰り返すよう構成されている。これらの各工程は順次行われる。

なお、本実施形態の塗工工程は、本発明に係るシートに触媒を塗工する工程に対応し、転写工程は、本発明に係る塗工された触媒を燃料電池の電解質膜に転写する工程に対応する。さらに、除去工程は、本発明に係るシートと残留触媒との付着力よりも、残留触媒に対する接着力が強いフィルムを、弾性ロールを用いてシートに圧着させることによって残留触媒を除去する工程に対応し、搬送工程は、本発明に係るシートを、所定温度および所定圧力でプレスしつつ、所定張力を加えて搬送する工程に対応する。基材シート２０は、本発明に係るシートに対応する。

塗工工程は、図３に示す触媒インク塗布装置３０により行われ、塗工工程においては、触媒インクが作製され、基材シート２０に触媒インクが塗工、即ち塗布される（ステップＳ１）。基材シート２０は、触媒転写工程を複数回繰り返して使用することのできるシートで、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの高分子シートで形成されている。基材シート２０の厚みは、５０μｍ〜１００μｍ程度が望ましく、この厚みの範囲で適宜作製される。

触媒インク塗布装置３０は、塗布ヘッド３１と、乾燥炉３２と、基材シート巻出ロール３３と、基材シート巻取ロール３４を備えている。塗布ヘッド３１は、基材シート巻出ロール３３から巻き出された基材シート２０の表面に触媒インクを塗布するようになっている。

触媒インクは、燃料電池の触媒層を構成するインクで、アセチレンブラックやファーネスブラックのようなカーボンブラックに白金（Ｐｔ）を担持した触媒を水（Ｈ_２Ｏ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）および電解質樹脂溶液と混合分散させインク化して作製される。塗布ヘッド３１により触媒インクが塗布された基材シート２０は、乾燥炉３２内に搬送され、高温で乾燥され、基材シート２０上に触媒層が形成されて、矢印ａ方向に搬送され、基材シート巻取ロール３４により巻き取られるようになっている。

本実施形態に係る触媒インク塗布装置３０においては、触媒インクは、アノード触媒層１２を形成するアノード触媒インクと、アノード触媒インクと同様のカソード触媒層１３を形成するカソード触媒インクの２種類が作製される。なお、触媒インク、アノード触媒インクおよびカソード触媒インクは、本発明に係る触媒転写方法における触媒に対応する。

本実施形態に係る触媒インク塗布装置３０においては、図３に示すように、アノード触媒インクが塗布および乾燥されアノード触媒層１２が形成されて巻き取られたアノード触媒層付基材シート２０ＡのロールＡが作製される。また、カソード触媒インクが塗布および乾燥され括弧の符号で示すカソード触媒層１３が形成されて巻き取られたカソード触媒層付基材シート２０ＫのロールＫも作製される。

転写工程は、図４に示す転写装置４０により行われ、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３が、アノード触媒層付基材シート２０Ａおよびカソード触媒層付基材シート２０Ｋから燃料電池の電解質膜１１に転写される（ステップＳ２）。

転写装置４０は、一対の転写ロール４１と、ロールＡからアノード触媒層付基材シート２０Ａを巻き出す巻出機構４２と、ロールＫからカソード触媒層付基材シート２０Ｋを巻き出す巻出機構４３と、電解質膜１１を巻き出す巻出機構４４を備えている。

また、転写装置４０は、電解質膜１１の一方の表面に接着されたアノード触媒層付基材シート２０Ａから基材シート２０を剥離する剥離ロール４５と、剥離された基材シート２０を巻き取る巻取機構４６とを備える。そして、転写装置４０は、電解質膜１１の他方の表面に接着されたカソード触媒層付基材シート２０Ｋから基材シート２０を剥離する剥離ロール４７と、剥離された基材シート２０を巻き取る巻取機構４８とを備える。そして、転写装置４０は、転写により作製された触媒層電解質膜接合体１０を巻き取る巻取機構４９を備えている。

一対の転写ロール４１は、巻出機構４２から巻き出されたアノード触媒層付基材シート２０Ａと、巻出機構４４から巻き出された電解質膜１１と、巻出機構４３から巻き出されたカソード触媒層付基材シート２０Ｋとを順に重ねて引き込むように構成されている。

一対の転写ロール４１は、引き込んだアノード触媒層付基材シート２０Ａ、電解質膜１１およびカソード触媒層付基材シート２０Ｋに対して加熱（℃）するとともに、押圧力（ＭＰａ）を加えて、電解質膜１１の一方の表面側と他方の表面側にアノード触媒層付基材シート２０Ａおよびカソード触媒層付基材シート２０Ｋをそれぞれ転写するよう構成されている。転写された各構成要素は、図４に示すように、一体化された積層体シートＳとなって、一対の転写ロール４１の矢印ｂで示す搬送方向の下流に向けて送り出されるよう構成されている。

転写ロール４１から送り出された積層体シートＳは、剥離ロール４５によりアノード触媒層１２から基材シート２０が剥離され、また、剥離ロール４７によりカソード触媒層１３から基材シート２０が剥離されるように構成されている。アノード触媒層１２から剥離された基材シート２０は巻取機構４６により巻き取られ、カソード触媒層１３から剥離された基材シート２０は巻取機構４８により巻き取られるよう構成されている。

積層体シートＳの一方の表面側からアノード触媒層付基材シート２０Ａの基材シート２０が剥離され、積層体シートＳの他方の表面側からカソード触媒層付基材シート２０Ｋの基材シート２０が剥離されてシート状の触媒層電解質膜接合体１０が形成され、搬送されるようになっており、搬送された触媒層電解質膜接合体１０は巻取機構４９により巻き取られるよう構成されている。

除去工程は、図５に示す除去装置５０により行われる。除去工程では、アノード触媒層付基材シート２０Ａおよびカソード触媒層付基材シート２０Ｋからそれぞれ剥離された基材シート２０の表面に残留する残留触媒ｚがそれぞれ除去される（ステップＳ３）。

除去装置５０は、転写装置４０の巻取機構４６により巻き取られた使用済みの基材シート２０を巻き出す巻出機構５１と、ラミネートフィルム５２を巻き出す巻出機構５３と、巻き出された基材シート２０にラミネートフィルム５２を圧着させて矢印ｃで示す搬送方向に送り出す一対の弾性ロール５４を備えている。

また、除去装置５０は、基材シート２０に圧着されたラミネートフィルム５２を基材シート２０から剥がして分離する分離ロール５５と、分離ロール５５により分離されたラミネートフィルム５２を巻き取る巻取機構５６と、分離された基材シート２０を巻き取る巻取機構５７を備えている。この構成により、基材シート２０に残留する残留触媒ｚは、ラミネートフィルム５２に接着されて、分離ロール５５により基材シート２０からラミネートフィルム５２が剥がされて分離する際に、基材シート２０の表面から除去される。

ラミネートフィルム５２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの合成樹脂で形成される基材フィルムにアクリル系やシリコン系の接着層が形成された接着フィルムで構成されている。接着層の接着力（Ｎ／ｃｍ）は、基材シート２０に残留する残留触媒ｚを接着し基材シート２０から除去することができる程度の大きさを有している。

具体的には、接着層の接着力は、基材シート２０と残留触媒ｚとの付着力よりも強くなっており、接着層は、少なくとも０．４Ｎ／ｃｍの接着力を有している。なお、ラミネートフィルム５２は、本発明に係る触媒転写方法の残留触媒ｚに対する接着力が強いフィルムに対応する。

除去装置５０においては、転写装置４０の巻取機構４８により巻き取られた使用済みの基材シート２０も、巻取機構４６により巻き取られた使用済みの基材シート２０と同様に、ラミネートフィルム５２により残留触媒ｚが除去され、巻取機構５７により巻き取られるようになっている。

搬送工程は、図６に示す搬送装置６０により行われ、搬送工程においては、除去装置５０の巻取機構５７により巻き取られた基材シート２０が所定温度（℃）で加熱され、所定圧力（ＭＰａ）でプレスされつつ、所定張力（Ｎ）が加えられ搬送される（ステップＳ４）。

搬送装置６０は、除去装置５０の巻取機構５７により巻き取られた基材シート２０を巻き出す巻出機構６１と、巻き出された基材シート２０を加熱しプレスしつつ、張力を加えて矢印ｄ方向に送り出す一対の弾性ロール６２と、送り出された基材シート２０を巻き取る巻取機構６３とにより構成されている。

弾性ロール６２は、シリコーンゴムなどの弾性を有する材料で形成されている。弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる温度（℃）は、１５０℃〜１８０℃が望ましい。温度が低すぎると加熱処理後の基材シート２０の平滑性が悪くなることがあり、温度が高すぎると、基材シート２０が伸縮することで寸法の変化が大きくなつてしまうことがある。弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる温度（℃）は、本発明の所定温度に対応する。

弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる圧力（ＭＰａ）は、３ＭＰａ〜１０ＭＰａが望ましい。圧力が低すぎるとプレス処理後の基材シート２０の平滑性が悪くなることがあり、圧力が高すぎると、基材シート２０が潰れて薄くなってしまうことがある。弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる圧力（ＭＰａ）は、本発明の所定圧力に対応する。

弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる張力（Ｎ／ｍ）は、１０Ｎ／ｍ〜５０Ｎ／ｍが望ましい。張力が低すぎると基材シート２０がたるむことで均一な処理ができなくなることがあり、張力が高すぎると、基材シート２０の寸法が縮んで小さくなってしまうことがある。弾性ロール６２により基材シート２０に加えられる張力（Ｎ／ｍ）は、本発明の所定張力に対応する。

弾性ロール６２において、加熱、プレスなどの処理に所定の時間（ｓｅｃ）が必要なため、基材シート２０を送り出す搬送速度（ｍ／ｍｉｎ）は、最適な搬送速度に設定される。最適な搬送速度として、２０ｍ／ｍｉｎを超えない範囲で設定されることが望ましい。

基材シート２０は、この搬送装置６０によって処理されることで矯正され、再び触媒転写工程で使用することが可能な状態となり、巻取機構６３で巻き取られた基材シート２０は、再び、塗工工程に供給される。

本実施形態に係る触媒転写方法における各構成要素の流れについて図面を参照して説明する。

本実施形態に係る触媒転写方法においては、図７に示すように、まず、アノード触媒インクが作製され（Ｓ１０１）、カソード触媒インクが作製される（Ｓ１０２）。作製されたアノード触媒インクは、触媒インク塗布装置３０により、基材シート２０に塗布され、乾燥されてアノード触媒層付基材シート２０Ａが作製される（Ｓ１０３）。一方、作製されたカソード触媒インクは、触媒インク塗布装置３０により、基材シート２０に塗布され、乾燥されてカソード触媒層付基材シート２０Ｋが作製される（Ｓ１０４）。

作製されたアノード触媒層付基材シート２０Ａは、基材シート巻取ロール３４によって巻き取られロールＡが作製される。一方作製されたカソード触媒層付基材シート２０Ｋは、基材シート巻取ロール３４によって巻き取られロールＫが作製される。

次いで、転写装置４０の巻出機構４２により、ロールＡからアノード触媒層付基材シート２０Ａが巻き出され、アノード触媒層付基材シート２０Ａが転写ロール４１に引き込まれる。続いて、転写装置４０の巻出機構４４により、電解質膜１１が巻き出され（Ｓ１０５）、電解質膜１１が転写ロール４１に引き込まれる。転写ロール４１によりアノード触媒層付基材シート２０Ａに形成されたアノード触媒層１２が電解質膜１１の上側に転写される（Ｓ１０６）。

また、転写装置４０の巻出機構４３により、ロールＫからカソード触媒層付基材シート２０Ｋが巻き出され、カソード触媒層付基材シート２０Ｋが転写ロール４１に引き込まれる。続いて、転写装置４０の巻出機構４４により、巻き出された電解質膜１１の上にカソード触媒層１３が、転写ロール４１により転写される。

これらの転写により、電解質膜１１の一方の表面にアノード触媒層１２が形成され、他方の表面にカソード触媒層１３が形成され、さらにアノード触媒層１２を基材シート２０が覆い、カソード触媒層１３を基材シート２０が覆う積層体シートＳが形成される。

アノード触媒層１２を覆う基材シート２０は、転写装置４０の剥離ロール４５によりアノード触媒層１２から剥離され、使用済み基材シートとして転写装置４０の巻取機構４６により巻き取られる（Ｓ１０７）。また、カソード触媒層１３を覆う基材シート２０は、転写装置４０の剥離ロール４７によりカソード触媒層１３から剥離され、使用済み基材シートとして転写装置４０の巻取機構４８により巻き取られる（Ｓ１０８）。

積層体シートＳの両面側からそれぞれ基材シート２０が剥離され、アノード触媒層付及びカソード触媒層付の電解質膜１１の積層体、即ち、触媒層電解質膜接合体１０が得られる。触媒層電解質膜接合体１０は、転写装置４０の巻取機構４９により巻き取られる（Ｓ１０９）。

転写装置の巻取機構４６により巻き取られた使用済み基材シート２０は、除去装置５０の巻出機構５１により巻き出され、弾性ロール５４によりラミネートフィルム５２が圧着され基材シート２０の残留触媒ｚが除去される。ラミネートフィルム５２は、基材シート２０と残留触媒ｚとの付着力よりも強い接着力を有しているので、ラミネートフィルム５２を基材シート２０から剥がすことによって、基材シート２０からラミネートフィルム５２に残留触媒ｚを移動させて基材シート２０から除去することができる。残留触媒ｚが除去された基材シート２０は、巻取機構５７により巻き取られる（Ｓ１１０）。

巻取機構５７により巻き取られた基材シート２０は、搬送装置６０の巻出機構６１により巻き出され、弾性ロール６２により加熱、プレスがされつつ、張力が加えられて矯正されて、巻取機構６３により巻き取られる（Ｓ１１１）。

弾性ロール６２により矯正された基材シート２０は、再使用が可能か否かの適正検査がなされ、適正な基材シート２０は、アノード触媒層付基材シート２０Ａを作製する触媒インク塗布装置３０に送られ（Ｓ１１２）、再利用される。適正検査で不適正とされた基材シート２０は、廃棄される。なお、適正検査に替えて、再利用回数を計数するカウンタで所定の回数を超えた基材シート２０を廃棄するようにしてもよい、所定回数は、基材シート２０の材質、大きさ、厚みなどの設定諸元や、実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

転写装置４０の巻取機構４８により巻き取られた使用済み基材シート２０は、転写装置４０の巻取機構４６により巻き取られた使用済み基材シート２０と同様の処理が行われる。即ち、ステップＳ１１０と同様に残留触媒ｚが除去され（Ｓ１１３）、ステップＳ１１１と同様にプレス矯正がなされ（Ｓ１１４）、再利用可能な基材シート２０は、カソード触媒層付基材シート２０Ｋを作製する触媒インク塗布装置３０に送られ（Ｓ１１５）、再利用される。

以上のように構成された実施形態に係る触媒転写方法の効果について説明する。

本実施形態に係る触媒転写方法は、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３を燃料電池の電解質膜１１に転写する転写工程の後に、基材シート２０と残留触媒ｚとの付着力よりも、残留触媒ｚに対する接着力が強いラミネートフィルム５２を、弾性ロール５４を用いて基材シート２０に圧着させることによって残留触媒ｚを除去する除去工程が設けられている。

さらに、本実施形態に係る触媒転写方法は、基材シート２０を、所定温度（℃）および所定圧力（ＭＰａ）でプレスしつつ、所定張力（Ｎ／ｍ）を加えて矯正し、搬送する搬送工程が設けられている。その結果、残留触媒ｚの除去工程により、基材シート２０に残留している触媒が除去される。さらに、温度、圧力および張力を加える搬送工程により、転写の際の加熱加圧による基材シート２０の変形が矯正され、基材シート２０が廃棄されずに、再び利用することができる。その結果、本実施形態に係る触媒転写方法は、生産コストの低減を図ることができるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・触媒層電解質膜接合体、１１・・・電解質膜、１２・・・アノード触媒層、１３・・・カソード触媒層、２０・・・基材シート（シート）、２０Ａ・・・アノード触媒層付基材シート、２０Ｋ・・・カソード触媒層付基材シート、３０・・・触媒インク塗布装置、３１・・・塗布ヘッド、３２・・・乾燥炉、３３・・・基材シート巻出ロール、３４・・・基材シート巻取ロール、４０・・・転写装置、４１・・・転写ロール、４２，４３，４４，５１，５３，６１・・・巻出機構、４５，４７・・・剥離ロール、４６，４８，４９，５６，５７，６３・・・巻取機構、５０・・・除去装置、５２・・・ラミネートフィルム（フィルム）、５４，６２・・・弾性ロール、５５・・・分離ロール、６０・・・搬送装置、ｚ・・・残留触媒

Claims

シートに触媒を塗工する工程と、
塗工された前記触媒を燃料電池の電解質膜に転写する工程と、
前記シートと残留触媒との付着力よりも、前記残留触媒に対する接着力が強いフィルムを、弾性ロールを用いて前記シートに圧着させることによって前記残留触媒を除去する工程と、
前記シートを、所定温度および所定圧力でプレスしつつ、所定張力を加えて搬送する工程と、
を含む触媒転写工程を、同一のシートを用いて複数回繰り返すことを特徴とする触媒転写方法。