(57)【要約】【課題】所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を製造することのできる膜触媒層接合体の製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜１１０に着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒インクが電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項２】
飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する請求項１に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項３】
飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項４】
飛翔中の前記触媒インクの周囲において空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項５】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項６】
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項７】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項６に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項８】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部を有する膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項９】
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有する請求項８に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１１】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲において空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１２】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有する請求項８〜１１のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１３】
制御部をさらに有し、前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる請求項８〜１２のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１４】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１３に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１５】
燃料電池用の電解質膜上の一方の面にカソード側触媒層が形成され、前記電解質膜上の他方の面にアノード側触媒層が形成された膜触媒層接合体であって、
前記カソード側触媒層および前記アノード側触媒層の少なくとも一方の触媒層は、互いに異なる空隙率を備える複数の層が積層されてなる膜触媒層接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜触媒層接合体の製造方法、膜触媒層接合体の製造装置、および膜触媒層接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜上に触媒層が形成された膜触媒層接合体（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有する。なお、膜触媒層接合体にガス拡散層をさらに有することによって、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成する。【０００４】
膜触媒層接合体の製造方法として、一般的に、電解質膜上に、固形成分を含有する触媒インクを塗工した後、触媒インクを乾燥して触媒層を形成する方法が知られている。【０００５】
電解質膜上に形成される触媒層は、カソード側触媒層と、アノード側触媒層と、を有する。カソード側触媒層は、酸素の還元反応が進行する触媒層であって、アノード側触媒層は、水素の酸化反応が進行する触媒層である。【０００６】
カソード側触媒層において進行する酸素の還元反応を、連続的にかつ円滑に行うためには、生成する水を速やかに排除するとともに酸素ガスを連続的に供給する必要がある。【０００７】
また、アノード側触媒層において進行する水素の酸化反応を、連続的にかつ円滑に行うためには、生成した水素イオンを水和により電解質膜中にスムーズに拡散するための水および燃料ガスを連続的に供給する必要がある。【０００８】
以上のことから、上記の反応を円滑に行うためには、酸素ガスおよび燃料ガスの供給や、水の排出および供給を円滑に行うことを目的に、所望の空隙率を有する触媒層を形成させることが求められる。【０００９】
これに関連して、下記の特許文献１には、造孔剤を用いて触媒インクを調合し、触媒インクを電解質膜上に印刷し、造孔剤を溶出することによって、電極と電解質膜との接合体を製造する方法が開示されている。この製造方法によって製造された接合体によれば、３次元構造の造孔剤によって３次元的に連通した細孔が形成されるため、ガス透過性を備える。【００１０】
また、下記の特許文献２には、電解質層上にインクジェット法を繰り返し実行することにより触媒層を積層する方法が開示されている。この積層方法によれば、触媒層が形成されない箇所に触媒層空隙が形成されるため、ガス透過性を備える膜触媒層接合体を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１８９００５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の製造方法において、電極の内部に形成される細孔分布は、造孔剤の分布に依存する。そして、造孔剤の分布が所望の分布となるように調整することは困難であるため、所望の空隙率を有する触媒層を電解質膜上に形成することは困難である。【００１３】
また、特許文献２に記載の方法では、インクジェット法を繰り返し実行して触媒層を形成し、触媒層が形成されない箇所にガスが透過するための触媒層空隙が形成される。この方法では、触媒層自体を所望の空隙率にすることは困難である。【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を製造することのできる膜触媒層接合体の製造方法および膜触媒層接合体の製造装置を提供することである。【００１５】
また、本発明の他の目的は、積層方向に異なる所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法である。膜触媒層接合体の製造方法は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される前記触媒インク層の空隙率を制御する。【００１７】
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置である。製造装置は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部を有する。【００１８】
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体は、燃料電池用の電解質膜上の一方の面にカソード側触媒層が形成され、前記電解質膜上の他方の面にアノード側触媒層が形成された膜触媒層接合体である。前記カソード側触媒層および前記アノード側触媒層の少なくとも一方の触媒層は、互いに異なる空隙率を備える複数の層が積層されてなる。
【発明の効果】
【００１９】
上記の膜触媒層接合体の製造方法および製造装置によれば、電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量を調整する。電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量が相対的に多くなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インクは体積が相対的に大きくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク同士は結合し、隣り合う滴状の触媒インク間の空隙は相対的に小さくなる。したがって、滴状の触媒インクが電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率は相対的に小さくなる。このため、触媒インク層が乾燥されて形成する触媒層の空隙率を相対的に小さくできる。一方、電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量が相対的に少なくなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インクは体積が相対的に小さくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク同士は結合せず、隣り合う滴状の触媒インク間の空隙は相対的に大きくなる。したがって、滴状の触媒インクが電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率は相対的に大きくなる。このため、触媒インク層が乾燥されて形成する触媒層の空隙率を相対的に大きくできる。以上のように、電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量を調整することによって、触媒層の空隙率を適宜所望の空隙率にすることができる。したがって、所望の空隙率を備える触媒層を形成することのできる膜触媒層接合体の製造方法および膜触媒層接合体の製造装置を提供することができる。【００２０】
また、上述の膜触媒層接合体によれば、積層方向に異なる所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る濃度調整部を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】膜触媒層接合体の製造方法のステップＳ０２を示すフローチャートである。
【図５】触媒インク層における空孔径のプロファイルの一例を示すグラフである。
【図６】図６（Ａ）は、空隙率が小さい場合の触媒インク層を示す概略図であって、図６（Ｂ）は、空隙率が小さい場合の触媒層を示すＳＥＭ写真である。
【図７】図７（Ａ）は、空隙率が大きい場合の触媒インク層を示す概略図であって、図７（Ｂ）は、空隙率が大きい場合の触媒層を示すＳＥＭ写真である。
【図８】改変例１に係る濃度調整部を示す図である。
【図９】改変例２に係る濃度調整部を示す図であって、触媒インクの滴下方向から視た図である。
【図１０】図９の１０−１０線に沿う断面図である。
【図１１】改変例２に係る濃度調整部の効果を説明するための図である。
【図１２】改変例３に係る濃度調整部を示す図である。
【図１３】改変例３に係る濃度調整部の変形例を示す図である。
【図１４】改変例３に係る濃度調整部の効果を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態に係る膜触媒層接合体を示す図である。
【図１６】カソード側触媒層の厚みと空隙率との関係を示すグラフである。
【図１７】カソード側触媒層の厚みと固形分濃度との関係を示すグラフである。
【図１８】第２実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置の一部を示す概略図である。
【図１９】第２実施形態に係る膜触媒層接合体の製造方法を示すフローチャートである。
【図２０】ステップＳ１２を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２３】
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置１および製造方法を説明する。図１は、第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置１を示す概略図である。図２は、第１実施形態に係る濃度調整部５０を示す図である。なお、以下の説明において、アノード側触媒層およびカソード側触媒層を総称して触媒層と称する場合がある。
【００２４】
まず、図１、２を参照して、第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置１について説明する。
【００２５】
膜触媒層接合体の製造装置１は、図１に示すように、触媒インク１４０Ａが貯蔵されるインクタンク１０と、触媒インク１４０Ａを電解質膜１１０上に向けて滴状に吐出する吐出部２０と、を有する。また、膜触媒層接合体の製造装置１は、電解質膜１１０上に着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する調整部３０を有する。また、膜触媒層接合体の製造装置１は、調整部３０の各種動作を制御する制御部１５を有する。
【００２６】
インクタンク１０は、触媒インク１４０Ａが貯蔵されるタンクである。以下、触媒インク１４０Ａの材料について説明する。
【００２７】
触媒インク１４０Ａは、溶媒、アイオノマ、および触媒粒子を含む。触媒インク１４０Ａは、これらに加えてさらに、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を含んでもよい。触媒インク１４０Ａは、インクタンク１０内で撹拌されている。以下の説明において、触媒インク１４０Ａの全質量のうち、アイオノマおよび触媒粒子の質量の割合を、「触媒インクの固形分濃度」として定義する。
【００２８】
溶媒は、例えば、水道水、純水、イオン交換水、蒸留水等の水、シクロヘキサノール、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール（ｎ−プロピルアルコール）、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、イソブタノール、およびｔｅｒｔ−ブタノール等の炭素数１〜４の低級アルコール、プロピレングリコール、ベンゼン、トルエン、キシレン等であるが、これらに限定されない。これらの他にも、酢酸ブチルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等が溶媒として用いられてもよい。これらの溶剤は、１種を単独で使用してもあるいは２種以上の混合液の状態で使用してもよい。
【００２９】
アイオノマとしては、例えば、フッ素系高分子電解質材料、および炭化水素系高分子電解質材料を挙げることができるが、これらに限定されない。フッ素系高分子電解質材料としては、例えば、ナフィオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）、フレミオン（登録商標）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。炭化水素系高分子電解質材料としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰ）等が挙げられる。
【００３０】
触媒粒子は、少なくとも触媒作用を有する物質を含み、例えば、触媒作用を有する触媒金属と、これを担持する触媒担体と、を有する。
【００３１】
触媒金属は、例えば白金含有触媒金属であるが、これに限定されない。白金含有触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）の単体粒子、または白金粒子とルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の他の金属粒子との混合物、白金と他の金属との合金等を挙げることができる。
【００３２】
触媒担体は、例えば、電子伝導性を有し、主成分がカーボンからなる。触媒担体としては、例えば、カーボンブラック（ケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど）、活性炭等からなるカーボン粒子が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３３】
吐出部２０は、触媒インク１４０Ａを電解質膜１１０上に向けて滴状に吐出する。吐出部２０は、例えば、インクジェット方式のノズルである。
【００３４】
調整部３０は、電解質膜１１０に着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御する。ここで、触媒インク層１４０Ｂとは、電解質膜１１０上に滴状の触媒インク１４０Ａが複数着弾された際に形成する層を意味する。この触媒インク層１４０Ｂを乾燥して溶媒成分を蒸発させることによって触媒層１４０が形成する。また、触媒インク層１４０Ｂの空隙率とは、触媒インク層１４０Ｂの総体積のうち、空隙が占める体積の割合を意味する。
【００３５】
調整部３０は、触媒インク１４０Ａの液滴体積を変更する体積調整部４０と、飛翔中の触媒インク１４０Ａを乾燥させて触媒インク１４０Ａの固形分濃度を変更する濃度調整部５０と、を有する。
【００３６】
体積調整部４０は、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数および流速を調整して、触媒インク１４０Ａの液滴体積を変更することによって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。
【００３７】
体積調整部４０は、触媒インク１４０Ａの吐出時の流速を調整可能なポンプ４１と、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数を調整可能な振動子４２、励振源４３と、を有する。振動子４２は、吐出部２０に固定されており、励振源４３が振動子４２を振動させることによって、吐出部２０は振動子４２の周波数と同じ周波数で振動する。以下、吐出部２０から触媒インク１４０Ａが滴状に吐出されるメカニズムについて説明する。
【００３８】
ポンプ４１から吐出部２０に対して、所定の圧力が付与されることによって、吐出部２０から触媒インク１４０Ａが噴射し、触媒インク１４０Ａが液柱化する。そして、励振源４３が振動子４２を振動させることによって、液柱化された触媒インク１４０Ａにくびれを発生させ、千切れることで触媒インク１４０Ａが液滴化する。
【００３９】
次に、体積調整部４０によって、触媒インク１４０Ａの液滴の体積を調整するメカニズムについて説明する。
【００４０】
吐出部２０から吐出された触媒インク１４０Ａの液滴が形成される直前における波長をλ、触媒インク１４０Ａの吐出時の流速をＶ、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数をｆとする。触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆは、励振源４３が振動子４２を振動させる周波数ｆと同一である。このとき、波長λは、流速Ｖに比例し、周波数ｆに反比例する。そして、波長λが大きいほど、滴状に形成される触媒インク１４０Ａの液滴体積は大きくなり、逆に波長λが小さいほど、滴状に形成される触媒インク１４０Ａの液滴体積は小さくなる。また、ポンプ４１が吐出部２０に対して付与する圧力が大きいほど、流速Ｖは大きくなる。
【００４１】
以上から、ポンプ４１の圧力を大きくするとともに励振源４３が振動子４２を振動させる周波数ｆを小さくすることによって、触媒インク１４０Ａの液滴体積は大きくなる。一方、ポンプ４１の圧力を小さくするとともに励振源４３が振動子４２を振動させる周波数ｆを大きくすることによって、触媒インク１４０Ａの液滴体積は小さくなる。
【００４２】
また、上述のように、触媒インク１４０Ａの液滴体積が相対的に大きくなるように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合し、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に小さくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に小さくなる。
【００４３】
また、触媒インク１４０Ａの液滴体積が相対的に小さくなるように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合せず、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に大きくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に大きくなる。
【００４４】
濃度調整部５０は、飛翔中の触媒インク１４０Ａに熱を付与することによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させて、触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。これによって、触媒インク１４０Ａの固形分濃度を変更する。
【００４５】
濃度調整部５０は、図２に示すように、乾燥促進プレート５１と、水が貯蔵されるタンク５２と、タンク５２内の水に熱量を与えるヒーター５３と、タンク５２内の水を乾燥促進プレート５１内に供給する供給ポンプ５４と、を有する。また、濃度調整部５０は、乾燥促進プレート５１内を循環して、タンク５２内に戻る際の水の温度を計測する温度計５５を有する。ヒーター５３および供給ポンプ５４は、制御部１５によって、動作が制御される。また、温度計５５によって計測された水の温度データは制御部１５に送信される。
【００４６】
乾燥促進プレート５１は、図１、図２に示すように、滴状の触媒インク１４０Ａが滴下する滴下方向（図１の上下方向）の外周に配置される。
【００４７】
乾燥促進プレート５１の内部には、図２に示すように、２枚の板材５１２、５１３が配置される。２枚の板材５１２、５１３は、互いに対向する側面から延在し、延在方向の前進限において、隙間を形成するように配置される。このような構成を有する２枚の板材５１２、５１３を、乾燥促進プレート５１の内部に配置することによって、乾燥促進プレート５１の内部に、所定の距離を備え温水が循環可能な循環路５１１が形成される（図２矢印参照）。
【００４８】
また、乾燥促進プレート５１には、タンク５２からの温水を乾燥促進プレート５１内の循環路５１１に供給する温水入口５６と、循環路５１１を循環した温水が乾燥促進プレート５１内から排出される温水出口５７と、が設けられる。
【００４９】
このように構成された濃度調整部５０によれば、ヒーター５３によって加熱されたタンク５２内の温水が供給ポンプ５４によって、温水入口５６を介して、乾燥促進プレート５１内に供給され、循環路５１１を循環する。これによって、乾燥促進プレート５１の周囲温度を上昇させ、飛翔中の触媒インク１４０Ａを乾燥させる。そして、循環路５１１を循環した温水は、温水出口５７を介して、再びタンク５２内に戻る。なお、タンク５２内に戻る際の温水の温度は温度計５５によって計測され、この温度データに基づいて、制御部１５は、ヒーター５３の温度を制御する。
【００５０】
次に、濃度調整部５０によって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整して、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御するメカニズムについて説明する。
【００５１】
濃度調整部５０において、相対的に少ない熱量を、飛翔中の触媒インク１４０Ａに付与することによって、飛翔中の触媒インク１４０Ａの溶媒の量の減少が抑制されるように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。この結果、着弾時の滴状の触媒インク１４０Ａは体積が相対的に大きくなる。よって、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合し、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に小さくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に小さくなる。
【００５２】
一方、濃度調整部５０において、相対的に多い熱量を、飛翔中の触媒インク１４０Ａに付与することによって、飛翔中の触媒インク１４０Ａの溶媒の量の減少が促進されるように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。この結果、着弾時の滴状の触媒インク１４０Ａは体積が相対的に小さくなる。よって、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合せず、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に大きくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に大きくなる。
【００５３】
次に、図３〜図５を参照して、膜触媒層接合体の製造方法について説明する。図３は、第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造方法を示すフローチャートである。図４は、膜触媒層接合体の製造方法のステップＳ０２を示すフローチャートである。図５は、触媒インク層１４０Ｂにおける空孔径のプロファイルの一例を示すグラフである。
【００５４】
まず、触媒インク１４０Ａを製造する（Ｓ０１）。触媒インク１４０Ａは、電極触媒、電解質および溶剤、並びに必要であれば撥水性高分子および／または増粘剤が適宜混合されたものであれば、その製造方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インク１４０Ａは製造される。または、電解質を、溶剤中に一旦分散／懸濁させた後、この分散／懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インク１４０Ａを製造することができる。
【００５５】
次に、吐出部２０に付与されるポンプ４１の圧力、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆ、および濃度調整部５０が飛翔中の触媒インク１４０Ａに供給する熱量を決定する（Ｓ０２）。以下、図４を参照して、ステップＳ０２について詳述する。
【００５６】
まず、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率を決定する（Ｓ０２１）。触媒インク層１４０Ｂの空隙率は、乾燥して形成される触媒層が所望の空隙率を有するように決定される。
【００５７】
次に、ステップＳ０２１において決定された触媒インク層１４０Ｂの空隙率から触媒インク層１４０Ｂにおける空孔径のプロファイルを決定する（Ｓ０２２）。ここで空孔径とは、触媒インク層１４０Ｂにおける空隙の代表径である。空孔径のプロファイルとしては、例えば、図５に示すように、ピークとなる空孔径が１０μｍのプロファイルを選択することができる。
【００５８】
次に、白金担持量を決定する（Ｓ０２３）。白金の担持量は、触媒活性を考慮して決定される。
【００５９】
次に、ポンプ４１の圧力を決定する（Ｓ０２４）。具体的には、ステップＳ０２３で決定された白金担持量を、触媒インク層１４０Ｂが有するように、ポンプ４１の圧力を決定する。なお、決定されたポンプ４１の圧力の値に伴って、吐出時の触媒インク１４０Ａの流速Ｖが決定される。
【００６０】
次に、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆを決定する（Ｓ０２５）。具体的には、ステップＳ０２２で決定された空孔径のプロファイルとなるように、周波数ｆを決定する。
【００６１】
次に、濃度調整部５０において触媒インク１４０Ａに供給する熱量を決定する（Ｓ０２６）。具体的には、電解質膜１１０上に着弾するときの触媒インク１４０Ａが所望の固形分濃度となるように、熱量を決定する。
【００６２】
以上のステップＳ０２１〜Ｓ０２６によって、吐出部２０に付与されるポンプ４１の圧力、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆ、および濃度調整部５０が触媒インク１４０Ａに供給する熱量が決定される。
【００６３】
次に、図３に戻って、吐出部２０から触媒インク１４０Ａを吐出する（Ｓ０３）。触媒インク１４０Ａは、ステップＳ０２で決定されたポンプ４１の圧力、および吐出時の周波数ｆに基づいて、吐出される。
【００６４】
次に、飛翔中の触媒インク１４０Ａを乾燥させる（Ｓ０４）。具体的には、濃度調整部５０の乾燥促進プレート５１内を温水が循環して乾燥促進プレート５１の周囲温度を上昇させる。これによって、ステップＳ０２で決定された熱量を、触媒インク１４０Ａに付与し、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。この結果、触媒インク１４０Ａの固形分濃度が変更する。
【００６５】
次に、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して触媒インク層１４０Ｂが形成される（Ｓ０５）。この結果、ステップＳ０２１で決定した空隙率を有する触媒インク層１４０Ｂが形成される。
【００６６】
次に、触媒インク層１４０Ｂを乾燥して、触媒層１４０を形成する（Ｓ０６）。乾燥方法は特に限定されない。
【００６７】
以上の工程によって、膜触媒層接合体１００が製造される。
【００６８】
次に、図６、図７を参照して、ステップＳ０６の開始前における触媒インク層１４０Ｂ、およびステップＳ０６の終了時における触媒層１４０の構成について説明する。図６（Ａ）は、空隙率が小さい場合の触媒インク層１４０Ｂを示す概略図であって、図６（Ｂ）は、空隙率が小さい場合の触媒層１４０を示すＳＥＭ写真である。図７（Ａ）は、空隙率が大きい場合の触媒インク層１４０Ｂを示す概略図であって、図７（Ｂ）は、空隙率が大きい場合の触媒層１４０を示すＳＥＭ写真である。
【００６９】
体積調整部４０において、ポンプ４１の圧力を大きくするとともに振動子４２の周波数ｆを小さくすることによって、触媒インク１４０Ａの液滴体積は相対的に大きくなる。また、濃度調整部５０において、飛翔中の触媒インク１４０Ａに付与する熱量を相対的に少なくすることによって、飛翔中の触媒インク１４０Ａの乾燥が抑制される。このように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を相対的に多くなるように調整した際は、図６（Ａ）に示すように、触媒インク層１４０Ｂの空隙率は小さくなる。そして、このような空隙率の小さい触媒インク層１４０Ｂを乾燥することによって、図６（Ｂ）に示すように、空隙率の小さい触媒層１４０を備える膜触媒層接合体１００が形成される。
【００７０】
一方、体積調整部４０において、ポンプ４１の圧力を小さくするとともに振動子４２の周波数ｆを大きくすることによって、触媒インク１４０Ａの液滴体積は相対的に小さくなる。また、濃度調整部５０において、飛翔中の触媒インク１４０Ａに付与する熱量を相対的に多くすることによって、飛翔中の触媒インク１４０Ａの乾燥が促進される。このように触媒インク１４０Ａの溶媒の量を相対的に少なくなるように調整した際は、図７（Ａ）に示すように、触媒インク層１４０Ｂの空隙率は大きくなる。そして、このような空隙率の大きい触媒インク層１４０Ｂを乾燥することによって、図７（Ｂ）に示すように、空隙率の大きい触媒層１４０を備える膜触媒層接合体１００が形成される。
【００７１】
このように、電解質膜１１０に着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂ、および触媒層１４０の空隙率を制御することができる。
【００７２】
以上説明したように、第１実施形態に係る膜触媒層接合体１００の製造方法および製造装置１によれば、電解質膜１１０に着弾する前の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。電解質膜１１０に着弾する前の触媒インク１４０Ａの溶媒の量が相対的に多くなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インク１４０Ａは体積が相対的に大きくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合し、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に小さくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に小さくなる。このため、触媒インク層１４０Ｂが乾燥されて形成する触媒層１４０の空隙率を相対的に小さくできる。一方、電解質膜１１０に着弾する前の触媒インク１４０Ａの溶媒の量が相対的に少なくなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インク１４０Ａは体積が相対的に小さくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ同士は結合せず、隣り合う滴状の触媒インク１４０Ａ間の空隙は相対的に大きくなる。したがって、滴状の触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して形成される触媒インク層１４０Ｂの空隙率は相対的に大きくなる。このため、触媒インク層１４０Ｂが乾燥されて形成する触媒層１４０の空隙率を相対的に大きくできる。以上のように、電解質膜１１０に着弾する前の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒層１４０の空隙率を適宜所望の空隙率にすることができる。したがって、所望の空隙率を備える触媒層１４０を形成することのできる膜触媒層接合体１００の製造方法および膜触媒層接合体１００の製造装置１を提供することができる。
【００７３】
また、飛翔中の触媒インク１４０Ａを乾燥させて触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒インク１４０Ａの固形分濃度を変更する。このため、容易に触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御することができる。
【００７４】
また、飛翔中の触媒インク１４０Ａに熱を付与することによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。このため、より容易に触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御することができる。
【００７５】
また、触媒インク１４０Ａは、インクジェット方式によって吐出され、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆおよび流速Ｖを調整して、触媒インク１４０Ａの液滴体積を変更する。そして、液滴体積を変更することによって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整する。このため、より確実に触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御することができる。
【００７６】
次に、第１実施形態に係る濃度調整部５０の改変例１〜３について説明する。
【００７７】
＜改変例１＞
図８を参照して、改変例１に係る濃度調整部６０の構成について説明する。図８は、改変例１に係る濃度調整部６０を示す図である。
【００７８】
改変例１に係る濃度調整部６０は、第１実施形態に係る濃度調整部５０と同様に、飛翔中の触媒インク１４０Ａに熱を付与することによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。そして、触媒インク１４０Ａを乾燥させることによって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量が調整され、触媒インク層１４０Ｂの空隙率が制御される。
【００７９】
濃度調整部６０は、図８に示すように、乾燥促進プレート６１と、乾燥促進プレート６１内に配置されるヒーター６２および温度計６３と、を有する。
【００８０】
乾燥促進プレート６１は、第１実施形態に係る乾燥促進プレート５１と同様に、滴状の触媒インク１４０Ａが滴下する滴下方向の外周に配置される（図１参照）。
【００８１】
このように構成された濃度調整部６０によれば、ヒーター６２によって、乾燥促進プレート６１の周囲温度を上昇させ、飛翔中の触媒インク１４０Ａを乾燥させる。なお、温度計６３によって乾燥促進プレート６１の温度が計測され、この温度データに基づいて、制御部１５は、ヒーター６２の温度を制御する。
【００８２】
＜改変例２＞
次に、図９〜図１１を参照して、改変例２に係る濃度調整部７０の構成について説明する。図９は、改変例２に係る濃度調整部７０を示す図であって、触媒インク１４０Ａの滴下方向から視た図（図１の下から上を視た図に相当）である。図１０は、図９の１０−１０線に沿う断面図である。図１１は、改変例２に係る濃度調整部７０の効果を説明するための図である。
【００８３】
改変例２に係る濃度調整部７０は、飛翔中の触媒インク１４０Ａの周囲において空気を移動させることによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。そして、触媒インク１４０Ａを乾燥させることによって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量が調整され、触媒インク層１４０Ｂの空隙率が制御される。触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、触媒インク層１４０Ｂの空隙率が制御されるメカニズムは、第１実施形態で説明したメカニズムと同様であるため、ここでは説明は省略する。
【００８４】
改変例２に係る濃度調整部７０は、図９、図１０に示すように、第１乾燥促進プレート７１と、第１乾燥促進プレート７１に対向して設けられる第２乾燥促進プレート７２と、を有する。また、濃度調整部７０は、第１乾燥促進プレート７１に取り付けられた第１エア供給部７３と、第２乾燥促進プレート７２に取り付けられた第２エア供給部７４と、を有する。
【００８５】
第１乾燥促進プレート７１は、半円状の窪み７１１を有し、第２乾燥促進プレート７２は、半円状の窪み７２１を有する。窪み７１１、７２１内を滴状の触媒インク１４０Ａが飛翔する。
【００８６】
第１乾燥促進プレート７１および第２乾燥促進プレート７２は、図９に示すように、左右方向にわずかに位置ずれするように配置される。このように配置することによって、第１エア供給部７３および第２エア供給部７４から供給されるエアが、乾燥促進プレート７１、７２に干渉することを防止できる。そして、図９の矢印で示すように、窪み７１１、７２１に沿って渦状のエア（スワールエアと称する）ＳＡが発生する。
【００８７】
第１エア供給部７３は、図１０に示すように、滴下方向（図１０の上下方向）に沿って５つ設けられ、図９の左右方向に２つ設けられる。なお、第１エア供給部７３の設けられる個数は特に限定されない。第１エア供給部７３から供給されるエアは、乾燥促進の観点から、温風であることが好ましい。第２エア供給部７４が設けられる個数は、第１エア供給部７３が設けられる個数と同じであることが好ましい。
【００８８】
このように構成された濃度調整部７０によれば、図９、１１に示すように、窪み７１１、７２１に沿って、スワールエアＳＡが発生する。このスワールエアＳＡによって、滴状の触媒インク１４０Ａの外周に渦が発生し、滴状の触媒インク１４０Ａの外周から乾燥が促進する。
【００８９】
また、この濃度調整部７０によれば、滴状の触媒インク１４０Ａの外周でエアが循環するため、触媒インク１４０Ａの吐出速度に影響することなく、滴状の触媒インク１４０Ａの乾燥を促進することができる。
【００９０】
改変例２において、触媒インク１４０Ａを乾燥する量は、第１エア供給部７３および第２エア供給部７４の個数や、第１エア供給部７３および第２エア供給部７４から供給されるエアの温度および流速によって、調整される。
【００９１】
以上説明したように、改変例２に係る濃度調整部７０を備える膜触媒層接合体１００の製造方法では、飛翔中の触媒インク１４０Ａの周囲において空気を移動させることによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。このため、容易に触媒インク層１４０Ｂの空隙率を制御することができる。また、触媒インク１４０Ａの吐出速度に影響することなく、触媒インク１４０Ａの乾燥を促進することができるため、精度の高い膜触媒層接合体１００を製造することができる。
【００９２】
＜改変例３＞
次に、図１２〜図１４を参照して、改変例３に係る濃度調整部８０の構成について説明する。図１２は、改変例３に係る濃度調整部８０を示す図である。図１３は、改変例３に係る濃度調整部８０の変形例を示す図である。図１４は、改変例３に係る濃度調整部８０の効果を説明するための図である。
【００９３】
改変例３に係る濃度調整部８０は、改変例２に係る濃度調整部７０と同様に、飛翔中の触媒インク１４０Ａの周囲において空気を移動させることによって、触媒インク１４０Ａを乾燥させる。そして、触媒インク１４０Ａを乾燥させることによって、触媒インク１４０Ａの溶媒の量が調整され、触媒インク層１４０Ｂの空隙率が制御される。
【００９４】
改変例３に係る濃度調整部８０は、図１２に示すように、一対の乾燥促進プレート８１を有する。また、濃度調整部８０は、乾燥促進プレート８１の触媒インク１４０Ａの液滴が通過する側の側面８１Ｓに対して滴下する方向（図１２の上から下の向き）に沿って、エアを供給する噴射ノズル８２を有する。また、濃度調整部８０は、噴射ノズル８２からエアを噴出するためのコンプレッサー８３を有する。
【００９５】
一対の乾燥促進プレート８１は、互いに対向するように、設けられる。
【００９６】
噴射ノズル８２は、図１２の上方側から下方側に向けて、乾燥促進プレート８１の側面８１Ｓに対してエアを噴射する。
【００９７】
なお、噴射ノズル８２のエアを噴射させる方向は、図１３に示すように、下方側から上方側であってもよい。
【００９８】
このように構成された濃度調整部８０によれば、図１４に示すように、噴射ノズル８２から乾燥促進プレート８１にエアを噴射して、側面８１Ｓ近傍にジェット流Ｊを発生させ、滴状の触媒インク１４０Ａの周囲の空気を下方向に引き込む（矢印Ａ参照）。これによって、触媒インク１４０Ａの外周部から乾燥が促進される（矢印Ｂ参照）。
【００９９】
また、この濃度調整部８０によれば、滴状の触媒インク１４０Ａに直接エアを照射しないため、触媒インク１４０Ａの吐出速度に影響することなく、滴状の触媒インク１４０Ａの乾燥を促進することができる。したがって、精度の高い膜触媒層接合体１００を製造することができる。
【０１００】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造装置２および製造方法を説明する。
【０１０１】
まず、図１５〜図１７を参照して、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００について説明する。図１５は、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００を示す図である。図１６は、カソード側触媒層２２０の厚みと空隙率との関係を示すグラフである。図１７は、カソード側触媒層２２０の厚みと固形分濃度との関係を示すグラフである。
【０１０２】
第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００は、図１５に示すように、電解質膜１１０と、電解質膜１１０上の一方の面に形成されるカソード側触媒層２２０と、電解質膜１１０上の他方の面に形成されるアノード側触媒層２３０と、を有する。
【０１０３】
カソード側触媒層２２０は、第１層２２１と、第２層２２２と、第３層２２３と、を有する。カソード側触媒層２２０において、図１６に示すように、第１層２２１は最も空隙率が大きく形成され、第３層２２３は最も空隙率が小さく形成される。また、カソード側触媒層２２０において、図１７に示すように、第１層２２１は最も固形分濃度が低く形成され、第３層２２３は最も固形分濃度が高く形成される。
【０１０４】
このように構成されたカソード側触媒層２２０によれば、第１層２２１の空隙率が大きくなっているため、カソード反応において生成する水の排水性を向上させることができる。さらに、第１層２２１の空隙率が大きくなっているため、第１層２２１における圧損を低減することができ、カソード反応において必要な酸素ガスを、電解質膜１１０に好適に供給することができる。
【０１０５】
アノード側触媒層２３０は、第１層２３１と、第２層２３２と、第３層２３３と、を有する。アノード側触媒層２３０において、第１層２３１は最も空隙率が小さく形成され、第３層２３３は最も空隙率が大きく形成される。また、アノード側触媒層２３０において、第１層２３１は最も固形分濃度が高く形成され、第３層２３３は最も固形分濃度が低く形成される。
【０１０６】
このように構成されたアノード側触媒層２３０によれば、第３層２３３の空隙率が大きくなっているため、電解質膜１１０への水の供給性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、水素ガスの供給性を向上させる観点からは、カソード側触媒層２２０と同様に、第１層２３１の空隙率を高くすることが好ましい。
【０１０８】
次に、図１８を参照して、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造装置２について説明する。図１８は、第２実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置２の一部を示す概略図である。
【０１０９】
第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造装置２は、第１実施形態に係る膜触媒層接合体１００の製造装置１と同様に、インクタンク１０と、吐出部２０と、調整部３０と、制御部１５と、を有する。理解の容易のため、図１８において、これらの構成は省略して示す。第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造装置２は、図１８に示すように、第１触媒インク層２２１Ｂの表面形状の凹凸を検出する検出部３００をさらに有する。
【０１１０】
検出部３００は、例えばレーザー変位計である。しかしながら、検出部３００は、表面形状の凹凸を検出することができる機能を有する限り特に限定されない。検出部３００によって検出された第１触媒インク層２２１Ｂの表面形状の凹凸データは、制御部１５に送信される。
【０１１１】
次に、図１９、図２０を参照して、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造方法について説明する。
【０１１２】
図１９は、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、電解質膜１１０上にカソード側触媒層２２０を形成する方法について説明する。図２０は、ステップＳ１２を示すフローチャートである。
【０１１３】
第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造方法は、概説すると、電解質膜１１０に着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層２２１Ｂを電解質膜１１０上に形成する。そして、第１触媒インク層２２１Ｂに着弾する前の滴状の触媒インク１４０Ａの溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層２２２Ｂを、第１触媒インク層２２１Ｂ上に形成させる。なお、第１触媒インク層２２１Ｂは乾燥されることによって、カソード側触媒層２２０の第１層２２１を形成し、第２触媒インク層２２２Ｂは乾燥されることによって、カソード側触媒層２２０の第２層２２２を形成する。以下、詳述する。
【０１１４】
第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造方法は、第１実施形態に係る膜触媒層接合体１００の製造方法に対して、触媒インク１４０Ａが電解質膜１１０上に着弾して触媒インク層が形成する点までは同様である（Ｓ１１〜Ｓ１５）。なお、第１触媒インク層２２１Ｂは、第１の空隙率となるように、図２０に示すステップＳ１２において、ポンプ４１の圧力、振動子４２の周波数ｆ、濃度調整部５０の熱量が決定される。また、第２実施形態において、電解質膜１１０上に形成された触媒インク層は第１触媒インク層２２１Ｂと称する。
【０１１５】
第１触媒インク層２２１Ｂが電解質膜１１０上に形成された後、第１触媒インク層２２１Ｂの表面の凹凸を検出部３００によって検出する（Ｓ１６）。
【０１１６】
次に、所定の数、触媒インク層が形成されたかを判断する（Ｓ１７）。本実施形態では、カソード側触媒層２２０は、３つの層２２１、２２２、２２３を有するため、触媒インク層が３層形成されたかを判断する。
【０１１７】
所定の数、触媒インク層が形成されていないと判断された場合（Ｓ１７：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻る。そして、第２触媒インク層２２２Ｂの空隙率が第２の空隙率となるように、ポンプ４１の圧力、振動子４２の周波数ｆ、濃度調整部５０の熱量が決定される。なお、ステップＳ１６において検出された第１触媒インク層２２１Ｂの凹凸に基づいて、第２触媒インク層２２２Ｂの表面形状の凹凸がなだらかとなるように、第２触媒インク層２２２Ｂを形成する触媒インク１４０Ａの吐出量を制御することが好ましい。
【０１１８】
そして、触媒インク層が３層、電解質膜１１０上に形成されるまで、上述の工程を繰り返す。
【０１１９】
そして、所定の数、触媒インク層が形成されたと判断された場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、触媒インク層を乾燥することによってカソード側触媒層２２０が形成される（Ｓ１８）。
【０１２０】
なお、アノード側触媒層２３０の形成方法は、カソード側触媒層２２０の形成方法と略同一であるため、説明は省略する。
【０１２１】
以上の工程によって、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００が製造される。
【０１２２】
以上説明したように、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００の製造方法および製造装置２によれば、積層方向に異なる所望の空隙率を備えるカソード側触媒層２２０を有する膜触媒層接合体２００を提供することができる。
【０１２３】
また、第１触媒インク層２２１Ｂの表面形状の凹凸を検出する。そして、検出された第１触媒インク層２２１Ｂの凹凸に基づいて、第２触媒インク層２２２Ｂの表面形状の凹凸がなだらかとなるように、第２触媒インク層２２２Ｂを形成する触媒インク１４０Ａの吐出量を調整する。このため、カソード側触媒層２２０の表面をより平坦にすることができ、ガス拡散層を好適に配置することができる。
【０１２４】
また、以上説明したように、第２実施形態に係る膜触媒層接合体２００は、燃料電池用の電解質膜１１０上の一方の面にカソード側触媒層２２０が形成され、電解質膜１１０上の他方の面にアノード側触媒層２３０が形成された膜触媒層接合体２００である。カソード側触媒層２２０およびアノード側触媒層２３０は、互いに異なる空隙率を備える複数の層が積層されてなる。このため、積層方向に異なる所望の空隙率を備える触媒層２２０、２３０を有する膜触媒層接合体２００を提供することができる。
【０１２５】
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々改変することができる。
【０１２６】
上述した第１実施形態では、体積調整部４０および濃度調整部５０によって、触媒インク層１４０Ｂの空隙率を調整した。しかしながら、体積調整部４０および濃度調整部５０の一方によって、触媒インク層１４０Ｂの空隙率を調整してもよい。
【０１２７】
また、上述した第１実施形態では、体積調整部４０は、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆおよび流速Ｖを調整して、触媒インク１４０Ａの液滴体積を変更した。しかしながら、触媒インク１４０Ａの吐出時の周波数ｆおよび流速Ｖの一方を調整して、触媒インク１４０Ａの液滴体積を変更してもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１、２    膜触媒層接合体の製造装置、
１５    制御部、
２０    吐出部、
３０    調整部、
４０    体積調整部、
５０、６０、７０、８０    濃度調整部、
１００、２００    膜触媒層接合体、
１１０    電解質膜、
２２０    カソード側触媒層、
２３０    アノード側触媒層、
１４０    触媒層、
１４０Ａ    触媒インク、
１４０Ｂ    触媒インク層、
２２１Ｂ    第１触媒インク層、
２２２Ｂ    第２触媒インク層、
３００    検出部、
ｆ    触媒インクの吐出時の周波数、
Ｖ    触媒インクの吐出時の流速。
【図１】
2017037929.tif 000003
【図２】
2017037929.tif 000004
【図３】
2017037929.tif 000005
【図４】
2017037929.tif 000006
【図５】
2017037929.tif 000007
【図６】
2017037929.tif 000008
【図７】
2017037929.tif 000009
【図８】
2017037929.tif 000010
【図９】
2017037929.tif 000011
【図１０】
2017037929.tif 000012
【図１１】
2017037929.tif 000013
【図１２】
2017037929.tif 000014
【図１３】
2017037929.tif 000015
【図１４】
2017037929.tif 000016
【図１５】
2017037929.tif 000017
【図１６】
2017037929.tif 000018
【図１７】
2017037929.tif 000019
【図１８】
2017037929.tif 000020
【図１９】
2017037929.tif 000021
【図２０】
2017037929.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月29日(2016.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項２】
飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する請求項１に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項３】
飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項４】
飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項５】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項８】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、
前記調整部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項９】
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有する請求項８に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１１】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１２】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有する請求項８〜１１のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項８〜１２のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、膜触媒層接合体の製造方法、および膜触媒層接合体の製造装置に関する。
背景技術
［０００２］
近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。
［０００３］
固体高分子型燃料電池は、電解質膜上に触媒層が形成された膜触媒層接合体（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有する。なお、膜触媒層接合体にガス拡散層をさらに有することによって、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成する。
［０００４］
膜触媒層接合体の製造方法として、一般的に、電解質膜上に、固形成分を含有する触媒インクを塗工した後、触媒インクを乾燥して触媒層を形成する方法が知られている。
［０００５］
電解質膜上に形成される触媒層は、カソード側触媒層と、アノード側触媒層と、を有する。カソード側触媒層は、酸素の還元反応が進行する触媒層であって、アノード側触媒層は、水素の酸化反応が進行する触媒層である。
［０００６］
カソード側触媒層において進行する酸素の還元反応を、連続的にかつ円滑に行うためには、生成する水を速やかに排除するとともに酸素ガスを連続的に供給する必要がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
層空隙が形成される。この方法では、触媒層自体を所望の空隙率にすることは困難である。
［００１４］
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を製造することのできる膜触媒層接合体の製造方法および膜触媒層接合体の製造装置を提供することである。
［００１５］
課題を解決するための手段
［００１６］
上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接命体の製造方法は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法である。膜触媒層接合体の製造方法は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される前記触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる。
［００１７］
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置である。製造装置は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、前記調整部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は前記調整部を制御することによって、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる。
［００１８］
発明の効果
［００１９］
上記の膜触媒層接合体の製造方法および製造装置によれば、電解質膜に着
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
弾する前の触媒インクの溶媒の量を調整する。電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量が相対的に多くなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インクは体積が相対的に大きくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク同士は結合し、隣り合う滴状の触媒インク間の空隙は相対的に小さくなる。したがって、滴状の触媒インクが電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率は相対的に小さくなる。このため、触媒インク層が乾燥されて形成する触媒層の空隙率を相対的に小さくできる。一方、電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量が相対的に少なくなるように調整した際は、着弾時の滴状の触媒インクは体積が相対的に小さくなる。この結果、隣り合う滴状の触媒インク同士は結合せず、隣り合う滴状の触媒インク間の空隙は相対的に大きくなる。したがって、滴状の触媒インクが電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率は相対的に大きくなる。このため、触媒インク層が乾燥されて形成する触媒層の空隙率を相対的に大きくできる。以上のように、電解質膜に着弾する前の触媒インクの溶媒の量を調整することによって、触媒層の空隙率を適宜所望の空隙率にすることができる。したがって、所望の空隙率を備える触媒層を形成することのできる膜触媒層接合体の製造方法および膜触媒層接合体の製造装置を提供することができる。
［００２０］
図面の簡単な説明
［００２１］
［図１］第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造装置を示す概略図である。
［図２］第１実施形態に係る濃度調整部を示す図である。
［図３］第１実施形態に係る膜触媒層接合体の製造方法を示すフローチャートである。
［図４］膜触媒層接合体の製造方法のステップＳ０２を示すフローチャートである。
［図５］触媒インク層における空孔径のプロファイルの一例を示すグラフである。
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月12日(2016.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項２】
飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する請求項１に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項３】
飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項４】
飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項８】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、
前記調整部を制御する制御部と、を有し、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有し、
前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項９】
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有する請求項８に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１１】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項８〜１１のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記電解質膜に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１７】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する請求項１６に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１８】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１６または１７に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１９】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、
前記調整部を制御する制御部と、を有し、
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有し、
前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項２０】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有する請求項１９に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項２１】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１９または２０に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
層空隙が形成される。この方法では、触媒層自体を所望の空隙率にすることは困難である。
［００１４］
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、所望の空隙率を備える触媒層を有する膜触媒層接合体を製造することのできる膜触媒層接合体の製造方法および膜触媒層接合体の製造装置を提供することである。
［００１５］
課題を解決するための手段
［００１６］
上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法である。膜触媒層接合体の製造方法は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される前記触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる。
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法である。膜触媒層接合体の製造方法は、前記電解質膜に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法である。
［００１７］
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置である。製造装置は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、前記調整部を制御する制御部と、を有し、前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有し、前記制御部は前記調整部を制御することによって、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる。
また、上記目的を達成する本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置は、溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置である。製造装置は、前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、前記調整部を制御する制御部と、を有し、前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有し、前記制御部は前記調整部を制御することによって、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる。
［００１８］
発明の効果
［００１９］
上記の膜触媒層接合体の製造方法および製造装置によれば、電解質膜に着
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月13日(2017.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更して、前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項２】
飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する請求項１に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項３】
飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項４】
飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項５】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項６】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクをインクジェット方式によって電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、
前記調整部を制御する制御部と、を有し、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有し、
前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項７】
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有する請求項６に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項８】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクに熱を付与することによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項７に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項９】
前記濃度調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させることによって、前記触媒インクを乾燥させる請求項７に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項６〜９のいずれか１項に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１１】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造方法であって、前記電解質膜に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御して第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、前記第１触媒インク層に着弾する前における飛翔中の滴状の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更して、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する請求項１１に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出し、
検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１１または１２に記載の膜触媒層接合体の製造方法。
【請求項１４】
溶媒および固形成分を含有する触媒インクを電解質膜上に吐出して膜触媒層接合体を製造する膜触媒層接合体の製造装置であって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクが前記電解質膜上に着弾して形成される触媒インク層の空隙率を制御する調整部と、
前記調整部を制御する制御部と、を有し、
前記調整部は、飛翔中の前記触媒インクの周囲における前記触媒インクの吐出方向または前記吐出方向に沿う周方向に空気を移動させて、前記触媒インクを乾燥させて前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記触媒インクの固形分濃度を変更する濃度調整部を有し、
前記制御部は前記調整部を制御することによって、
前記電解質膜に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、第１の空隙率を備える第１触媒インク層を前記電解質膜上に形成させ、
前記第１触媒インク層に着弾する前の滴状の前記触媒インクの前記溶媒の量を調整することによって、前記第１の空隙率とは異なる第２の空隙率を備える第２触媒インク層を、前記第１触媒インク層上に形成させる膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１５】
前記触媒インクは、インクジェット方式によって吐出され、
前記調整部は、前記触媒インクの吐出時の周波数および流速の少なくとも一方を調整して、前記触媒インクの液滴体積を変更することによって、前記触媒インクの前記溶媒の量を調整する体積調整部を有する請求項１４に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【請求項１６】
前記第１触媒インク層の表面形状の凹凸を検出する検出部をさらに有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記第１触媒インク層の凹凸に基づいて、前記第２触媒インク層の表面形状の凹凸がなだらかとなるように、前記第２触媒インク層を形成する前記触媒インクの吐出量を調整する請求項１４または１５に記載の膜触媒層接合体の製造装置。
【国際調査報告】
2017037929.tif 000023
2017037929.tif 000024
2017037929.tif 000025
2017037929.tif 000026