(57)【要約】【課題】燃料電池セルを構成する膜電極接合体において、高分子電解質膜又は多孔質支持層の表面に触媒スラリーを塗布するスプレーノズルの先端部での詰まりを防止する。【解決手段】触媒スラリーと、この触媒スラリーを霧化するエアーとをスプレーノズル１で霧状にして被塗布媒体の表面に塗布する際に、触媒スラリーに含まれる溶媒の成分量をエアーにより調整して、触媒スラリーに含まれている水やイソプロピルアルコールなどの溶媒成分の揮発による減少を抑えることにより、スプレーノズル１の先端部１１ａにおける触媒スラリーの乾燥を防いで、カーボン粒子の固着による詰まりを防止するようにした。【選択図】    図１
2006164915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒、及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布方法において、
前記触媒材料に含まれる溶媒の成分量を前記エアーにより調整することを特徴とする触媒材料の塗布方法。
【請求項２】
前記触媒材料を霧化するエアーとして、溶媒を含むエアーを供給することを特徴とする請求項１に記載の触媒材料の塗布方法。
【請求項３】
前記溶媒を含むエアーの温度を雰囲気温度よりも低くすることを特徴とする請求項２に記載の触媒材料の塗布方法。
【請求項４】
触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒、及び高分子材料を含む触媒材料をエアーにより霧化するスプレーノズルを備え、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布装置において、
前記触媒材料に含まれる溶媒の成分量を前記エアーにより調整することを特徴とする触媒材料の塗布装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜を用いた燃料電池の製造技術に関し、詳しくは、燃料電池の触媒層となる触媒スラリーの塗布方法及び塗布装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータで挟み込んで燃料電池単セルを構成し、この燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタックとしている。
【０００３】
この膜電極接合体は、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、さらにその外側に多孔質支持層を取り付けて接合一体化した構成（あるいは多孔質支持層の表面に触媒層を形成し、これを高分子電解質膜の両面に貼り合わせて接合一体化した構成）となっている。
【０００４】
触媒層の形成方法としては、電着方式、ダイコータ方式、スプレー方式などの塗装方法が用いられる。そして、これらの塗装方法に使用できるように、水やプロピルアルコールなどの溶媒と、高分子電解質膜との活性度を高めるために添加された高分子材料と、白金などの触媒粒子を担持したカーボン材料などをミル装置により粒径１μｍ程度に粉砕しながら混合、分散して触媒スラリーを作製し、この触媒スラリーを上記塗装方法により高分子電解質膜または多孔質支持層に塗布している（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
上記塗布方法の中でも、スプレー方式は装置のコストや安全性の面から作業しやすいという利点がある。このスプレー方式としては、一定量の触媒スラリーをスプレーガンの先端部分に設けられたノズル部に供給し、その付近に同様に供給されるエアーの空気圧によって微細な霧状にする方式や、スプレーガンの先端に装着された回転体を高回転で回転させ、その回転体の内壁面に触媒スラリーを供給し、遠心力により微細な粒子にする方式がある。
【特許文献１】特開２００３−３４６８２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１００３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記スプレー方式のうち、触媒スラリーをエアーで霧化する方式では、触媒スラリーをスプレーガンのノズル部から霧状にして塗布すると、触媒スラリーを希釈するために使用されている水やイソプロピルアルコールなどの溶媒が揮発、乾燥し、触媒スラリーに含まれる微細なカーボン粒子がノズル部に固着してしまい、ノズル部においてカーボン粒子による詰まりが発生することがある。このようにノズル部で詰まりが発生すると、触媒スラリーを安定して供給することが難しくなり、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒層を均一に形成できなくなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係わる触媒材料の塗布方法は、触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒、及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布方法において、前記触媒材料に含まれる溶媒の成分量を前記エアーにより調整することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係わる触媒材料の塗布装置は、触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒、及び高分子材料を含む触媒材料をエアーにより霧化するスプレーノズルを備え、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布装置において、前記触媒材料に含まれる溶媒の成分量を前記エアーにより調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、触媒スラリーに含まれる溶媒の成分量を触媒スラリーを霧化するためのエアーで調整して、触媒スラリーに含まれている水やイソプロピルアルコールなどの溶媒成分の揮発による減少を抑えることにより、スプレーノズルの先端部における触媒スラリーの乾燥を防ぐことができる。これにより、触媒スラリーに含まれる微細なカーボン粒子がスプレーノズルの先端部に固着するのを防いで、カーボン粒子による詰まりの発生を抑制することができる。
【００１０】
したがって、スプレーノズルから触媒スラリーを安定して供給することができるようになり、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒層を均一に形成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】
【００１１】
以下、本発明に係わる触媒材料の塗布方法及び塗布装置を実施するための最良の形態となる実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例に１係わる触媒スラリー塗布装置１０を示す構成図である。本実施例に示す触媒スラリー塗布装置１０は、触媒スラリーを霧状にして噴霧するスプレーノズル１と、触媒スラリータンク２と、エアータンク３と、溶媒含有エアータンク４とを備えて構成されている。なお、図１ではコンプレッサや流量制御等の構成を省略している。
【００１３】
触媒スラリータンク２には、水やプロピルアルコールなどの溶媒と、高分子電解質膜の活性度を高めるために添加された高分子材料と、白金などの触媒粒子を担持したカーボン粒子とを混合・分散することにより作製された触媒スラリーが収容されている。
【００１４】
溶媒含有エアータンク４には、上記触媒スラリーに含まれる溶媒と同じ溶媒成分として、例えばｎ−プロピルアルコールやｉ−プロピルアルコールを体積比で５０％以上含むエアーが収容されている。
【００１５】
スプレーノズル１には、エアー供給パイプ７と、触媒スラリー供給パイプ８とが接続されている。エアー供給パイプ７は、エアータンク３と接続されるとともに、経路の途中に接続された二方向切替弁５により溶媒含有スラリー供給パイプ９とも接続され、この溶媒含有スラリー供給パイプ９を経由して溶媒含有エアータンク４と接続されている。一方、触媒スラリー供給パイプ８は、触媒スラリータンク２と接続されている。
【００１６】
ここで、スプレーノズル１の構成について説明する。
【００１７】
図３は、スプレーノズル１の断面図である。スプレーノズル１は、第１ハウジング１１と、この第１ハウジング１１の内側に配置され、内部にニードル１３が挿入された第２ハウジング１２とから構成されている。
【００１８】
第１ハウジング１１にはエアー供給パイプ７が接続され、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２との間に形成されたエアー流路１４と連通している。このエアー流路１４には、図１に示すように、エアー又は溶媒含有エアーが供給される。
【００１９】
第２ハウジング１２には触媒スラリー供給パイプ８が接続され、第２ハウジング１２の内部に形成された触媒スラリー流路１５と連通している。この触媒スラリー流路１５には、図１に示すように、触媒スラリーが供給される。
【００２０】
第１ハウジング１１はエアー及び触媒スラリーの排出側が略円錐形状に形成され、先端部１１ａにはエアー排出口１１ｂが設けられている。以下、第１ハウジング１１の先端部１１ａを適宜にスプレーノズル１の先端部１１ａという。
【００２１】
また、第２ハウジング１２はエアー及び触媒スラリーの排出側が短管状に形成され、先端部１２ａには触媒スラリー排出口１２ｂが設けられている。この第２ハウジング１２の先端部１２ａは、第１ハウジング１１のエアー排出口１１ｂ内に挿入され、第１ハウジング１１のエアー排出口１１ｂと第２ハウジング１２の先端部１２ａとの間に、圧縮されたエアー又は溶媒含有エアーを排出するための隙間を形成している。
【００２２】
また、第２ハウジング１２の内部に挿入されたニードル１３はロッド１６と連結されており、図示しない駆動機構によりロッド１６を前後に摺動させることにより、第２ハウジング１２の先端との隙間を調整して、触媒スラリーの供給量を設定できるように構成されている。
【００２３】
上記のように構成された触媒スラリー塗布装置１０において、触媒スラリー供給パイプ８から第２ハウジング１２内に触媒スラリーを供給するとともに、エアー供給パイプ７から圧縮されたエアー又は溶媒含有エアーを供給すると、第２ハウジング１２の触媒スラリー排出口１２ｂから排出された触媒スラリーは、第１ハウジング１１のエアー排出口１１ｂから排出されたエアー又は溶媒含有エアーにより細かい粒子に分散され、微細な霧状となって被塗布媒体となる高分子電解質膜または多孔質支持層の表面に噴霧される。
【００２４】
ここで、霧状にした触媒スラリーを噴霧する際に、二方向切替弁５の流路を切り替えて、エアー供給パイプ７と溶媒含有スラリー供給パイプ９とを連通させると、第１ハウジング１１のエアー排出口１１ｂからは溶媒含有エアーが排出される。
【００２５】
この溶媒含有エアーには、触媒スラリーと同じ溶媒成分が含まれているため、もともとの触媒スラリーに含まれている水やイソプロピルアルコールなどの溶媒成分の揮発による減少が抑えられ、スプレーノズル１の先端部１１ａにおける触媒スラリーの乾燥を防ぐことができる。このように、触媒スラリーに含まれる溶媒の成分量を触媒スラリーを霧化するためのエアーで調整することにより、触媒スラリーに含まれる微細なカーボン粒子がスプレーノズル１の先端部１１ａに固着するのを防いで、カーボン粒子による詰まりの発生を抑制することができる。したがって、スプレーノズル１から触媒スラリーを安定して供給することができるようになり、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒層を均一に形成することが可能となる。
【００２６】
本実施例では、触媒スラリーを霧化するためのエアーとして、触媒スラリーに含まれる溶媒と同じ溶媒成分を含む溶媒含有エアーを供給するようにしたので、使用する材料数を増やすことなしに溶媒含有エアーを作製することができる。
【００２７】
なお、図１には示していないが、エアー供給パイプ７の途中に溶媒を供給するパイプを接続し、エアータンク３から供給されるエアーに適量の溶媒を混合させるようにしてもよい。
【実施例２】
【００２８】
図２は、実施例２に係わる触媒スラリー塗布装置１０Ａを示す構成図であり、図１と同等部分を同一符号で示している。本実施例に示す触媒スラリー塗布装置１０Ａは、スプレーノズル１と二方向切替弁５との間にエアー冷却装置６を備えている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００２９】
エアー冷却装置６は、エアー供給パイプ７を流れる溶媒含有エアーの温度を、スプレーノズル１近傍の雰囲気温度よりも少なくとも５℃以上低い温度まで冷却するための冷却器である。
【００３０】
本実施例によれば、触媒スラリーを霧化するための溶媒含有エアーの温度を雰囲気温度よりも低くすることにより、溶媒成分の揮発をより少なくすることができるため、スプレーノズル１の先端部１１ａにおける触媒スラリーの乾燥をより効果的に防ぐことができる。
【００３１】
以上説明したように、各実施例示す触媒スラリー塗布装置では、触媒スラリーに含まれる溶媒の成分量を触媒スラリーを霧化するためのエアーで調整するようにしたので、触媒スラリーに含まれている水やイソプロピルアルコールなどの溶媒成分の揮発による減少が抑えられるように成分量を調整することにより、スプレーノズルの先端部における触媒スラリーの乾燥を防ぐことができる。これにより、触媒スラリーに含まれる微細なカーボン粒子がスプレーノズルの先端部に固着するのを防いで、カーボン粒子による詰まりの発生を抑制することができる。したがって、スプレーノズルから触媒スラリーを安定して供給することができるようになり、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒層を均一に形成することが可能となる（請求項１，４の効果）。
【００３２】
とくに、実施例１の触媒スラリー塗布装置１０では、触媒スラリーを霧化するためのエアーとして、触媒スラリーに含まれる溶媒と同じ溶媒成分を含む溶媒含有エアーを供給するようにしたので、使用する材料数を増やすことなしに溶媒含有エアーを作製することができる（請求項２の効果）。
【００３３】
また、実施例２の触媒スラリー塗布装置１０Ａでは、触媒スラリーを霧化するための溶媒含有エアーの温度を雰囲気温度よりも低くするようにしたので、溶媒成分の揮発をより少なくすることができ、スプレーノズル１の先端部１１ａにおける触媒スラリーの乾燥をより効果的に防ぐことができる（請求項３の効果）。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１に係わる触媒スラリー塗布装置を示す構成図。
【図２】実施例２に係わる触媒スラリー塗布装置を示す構成図。
【図３】スプレーノズルの断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１…スプレーノズル
２…触媒スラリータンク
３…エアータンク
４…溶媒含有エアータンク
５…二方向切替弁
６…エアー冷却装置
７…エアー供給パイプ
８…触媒スラリー供給パイプ
９…溶媒含有スラリー供給パイプ
１０，１０Ａ…触媒スラリー塗布装置
１１…第１ハウジング
１１ａ…先端部
１１ｂ…エアー排出口
１２…第２ハウジング
１２ａ…先端部
１２ｂ…触媒スラリー排出口
１３…ニードル
１４…エアー流路
１５…触媒スラリー流路
１６…ロッド
【図１】
2006164915.tif 000003
【図２】
2006164915.tif 000004
【図３】
2006164915.tif 000005