(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池で使用される薄膜電極アセンブリである、触媒がコーティングされた薄膜を準備する方法の提供。【解決手段】第１の触媒分散がコーティングされた基板３ａを得る工程、薄膜の第２面側４ｂにサポートフィルム６を与える工程、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８を得る工程、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂを得るか、または、第１面側に第２の触媒がコーティングされた薄膜８を得る工程、第１の触媒層１１を有する薄膜４を含むラミネート９を形成する工程、ラミネート９を乾燥する工程、薄膜の第２面側４ｂからサポートフィルム６を除去する工程、第３の触媒分散１２を薄膜の第２面側４ｂにコーティングする工程、薄膜４上に第２の触媒層１３を得る工程、基板１を第１の触媒がコーティングされた基板３ｂから除去する工程、からなる薄膜を準備する方法。【選択図】図１
2018020307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒がコーティングされた薄膜を準備する方法であって、
第１の触媒分散（２）を基板（１）にコーティングし、それにより、第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を得る工程と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）にサポートフィルム（６）を与える工程と、
前記薄膜の第１面側（４ａ）に第２の触媒分散（７）をコーティングし、それによって、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜（８）を得る工程と、
前記第１の触媒分散（２）を乾燥し、それによって、第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を得るか、または、第１面側に前記第２の触媒分散がコーティングされた前記薄膜（８）を乾燥し、それにより、第１面側に第２の触媒がコーティングされた薄膜を得る工程と、
前記第１の触媒および前記第２の触媒が重なり合うように、前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜（８）へラミネートするか、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜へラミネートし、それによって、第１の触媒層（１１）を有する薄膜（４）を含むラミネート（９）を形成する工程と、
前記ラミネート（９）を乾燥する工程と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）から前記サポートフィルム（６）を除去する工程と、
第３の触媒分散（１２）を前記薄膜の第２面側（４ｂ）にコーティングする工程と、
前記第３の触媒分散（１２）を乾燥し、それによって、前記薄膜（４）上に第２の触媒層（１３）を得る工程と、
前記基板（１）を前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）から除去する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
前記基板（１）は、多孔性である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板（１）の平均孔サイズは、３０ｎｍから３００ｎｍの範囲である、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板（１）は、多孔質セラミック基板およびその合成物、発泡ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、および、ポリプロピレンから成る集合から選択される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記基板（１）は表面処理されており、特に、プラズマ処理またはシリコンコーティング処理されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の触媒分散（２）を前記基板（１）にコーティングする工程は、ドクターブレード、スロットダイ、カーテンコーティング、または、ロータリーシーブプリントを使って実行される、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）は保存用に巻き取られる、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の触媒分散（２）内の前記第１の触媒および前記第２の触媒分散（７）内の第２の触媒の総量は、前記第１の触媒層（１１）内の全触媒負荷量に対応して選択される、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記薄膜の第１面側（４ａ）にコーティングされるべき面積あたりの前記第２の触媒分散（７）の溶剤の全最大量は４ｇ／ｍ２から２１ｇ／ｍ２であり、および／または、前記薄膜に対する前記第２の触媒分散（７）の溶剤の質量比は、０．１４ｇ／ｇから０．２１ｇ／ｇである、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記サポートフィルム（６）は、ポリエチレンテレフタレートおよびポリエチレンナフタレートからなる集合から選択される、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記薄膜（４）は第１面側にカバー層（５）を有し、前記薄膜の第１面側（４ａ）に前記第２の触媒分散（７）をコーティングする前に、前記カバー層（５）が除去される、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜（８）へラミネートするか、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜へラミネートする工程は、カレンダー加工する工程を含む、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板（１）を除去する前に、前記第２の触媒層（１３）の表面を担持フィルムで支持する工程を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
触媒がコーティングされた薄膜（１４）を製造する装置であって、
第１の処理ユニット（１００）であって、
基板（１）を送りかつ搬送するための基板送りユニット（１０１）と、
第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を得るべく、前記基板（１）の第１面側に第１の触媒分散（２）をコーティングするための第１触媒分散コーティングユニット（１０４）と、
を有するところの第１の処理ユニット（１００）と、
第２の処理ユニット（２００）であって、
薄膜送りユニット（２０１）と、
サポートフィルム（１）を送るためのサポートフィルム送りユニットと、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）に前記サポートフィルム（１）をラミネートするためのサポートフィルムラミネートユニットと、
第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜（８）を得るべく、第２の触媒分散（７）を前記薄膜の第１面側（４ａ）にコーティングするための第２触媒分散コーティングユニット（２０４）とを有し、
前記第１の処理ユニット（１００）は、第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を得るべく前記第１の触媒分散（２）を乾燥するための乾燥ユニット（１０７）を有し、または、前記第２の処理ユニット（２００）は、第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜を得るべく、前記薄膜（８）の第１面側にコーティングされた第２の触媒分散を乾燥するための乾燥ユニット（１０７）を有し、
前記第２の処理ユニット（２００）は、
前記第１の触媒および前記第２の触媒が重なり合うように、前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた前記薄膜（８）へラミネートし、または、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた前記薄膜へラミネートし、それによって、前記薄膜上に第１の触媒層（１１）を含むラミネート（９）を形成するためのラミネートユニット（２０９）と、
前記ラミネート（９）を乾燥するための乾燥ユニット（２１０）と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）から前記サポートフィルム（６）を除去するための第１除去ユニット（２１１）と、
をさらに有するところの第２の処理ユニット（２００）と、
第３の処理ユニット（３００）であって、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）に第３の触媒分散（１２）をコーティングするための第３触媒分散コーティングユニット（３０６）と、
前記第３の触媒分散（１２）を乾燥するための乾燥ユニット（３０８）と、
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）から前記基板（６）を除去するための第２除去ユニット（３１３）と、
前記触媒がコーティングされた薄膜（１４）を保存するための保存ユニット（３１４）と、
を有するところの第３の処理ユニット（３００）と、
を備える装置。
【請求項１５】
前記第２の処理ユニット（２００）は、前記サポートフィルムラミネートユニットと前記第２の触媒分散コーティングユニット（２０４）との間に、前記薄膜の第１面側（４ａ）に設けられたカバー層（５）を除去するためのカバー層除去ユニットを有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１、第２および第３の処理ユニット（１００、２００、３００）の少なくともひとつは、少なくともひとつのクリーニングユニット（１０９、２１５、３１７）および／または少なくともひとつのインライン制御ユニット（１１０、２１４、３１５）を有する、ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記基板（１）を除去する前に、前記第２の触媒層（１３）の表面を支持する担持フィルム用の担持フィルム送りユニット（３０９）を備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、触媒がコーティングされた薄膜を準備するための方法および触媒がコーティングされた薄膜を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒がコーティングされた薄膜は薄膜電極アセンブリ形式の燃料セルで使用される。薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、この順で堆積された、アノードガス拡散層（Ａ−ＧＤＬ）、アノード触媒層（Ａ−ｃｌ）、ポリマー触媒薄膜、カソード触媒層（Ｃ−ｃｌ）およびカソードガス拡散層（Ｃ−ＧＤＬ）から成る。高い触媒作用を達成するために、触媒層は、大きな表面積および電解液との良好な接触が不可欠である。薄膜電極アセンブリの準備において、触媒層が、ガス拡散層の上に最初に与えられ、その後、薄膜に熱圧縮される。この方法は、ウエットステージで適用される場合、触媒が多孔性拡散層と接触するため、不利である。触媒がコーティングされた薄膜を形成する他のアプローチにおいて、触媒層は、一時的に不活性の基板上に形成され、その後、ポリマー電解質薄膜に転送される。この方法は、付加的な一時的基板を要求するため、プロセスコストが増加する。また、このプロセスは、複雑であり、時間がかかる。さらに他のアプローチにおいて、触媒がコーティングされた薄膜は、薄膜上に直接触媒を分散させてコーティングすることにより準備される。薄膜は独立して立つことができ、それにより、特に、厚みの薄い薄膜を使用する場合に薄膜の制御不能な寸法変化を引き起こす。
【０００３】
米国特許出願公開第２００２／００６４５９３号には、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造するための連続ロールツーロールプロセスが開示されている。第１の触媒インクは、その第２面によってバッキングフィルムに固定されるポリマー電解質薄膜の第１面に直接コーティングされ、ガス拡散層（ＧＤＬ）がまだ霧状の第１触媒層上に直接適用される。最後に、オーブン内で合成物が乾燥される。ポリマー電解質薄膜の第２面側からバッキングフィルムを除去した後、第２触媒インクが合成物によって支持されたままであり、最終的に乾燥されるポリマー電解質薄膜の第２面に直接コーティングされる。当該特許出願の他の方法において、第１触媒インクが第１ＧＤＬ上に直接コーティングされ、ポリマー電解質薄膜の第１面側に、ポリマー電解質薄膜の第２面がバッキングフィルム上に固定されているところのまだ霧状のインク層の上に直接適用される。第２の触媒インクは、第２ＧＤＬ上に直接コーティングされ、ポリマー電解質薄膜のバッキングフィルムを除去した後、ポリマー電解質薄膜の第２面はまだ霧状の第２触媒インク層と接触させられる。実施例において、３０μｍの厚さのポリマー電解質薄膜のみが開示され、それより薄いポリマー電解質薄膜（例えば、１０〜２０μｍ）は説明されていない。米国特許出願公開第２００２／００６４５９３号に記載のプロセスによって、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が得られるのみで、ＣＣＭ（触媒がコーティングされた薄膜）へリム材料の適用が必要な場合に必要なＣＣＭは得られない。
【０００４】
欧州特許出願公開第１２６１０５８号は、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造するための方法を開示する。当該方法は、アノードおよびカソード用の両方のガス拡散層が触媒インクによってコーティングされ、これらのコーティングされたガス拡散層がまだ霧状の電極状態で最終的にポリマー電解質薄膜の両面に対して置かれるところの非連続ロールツーロールプロセスを有する。最終的に、この合成物は、オーブン内で乾燥される。実施例では、５０μｍの厚さのポリマー電解質薄膜のみが説明されており、それ以上薄い（例えば、１０〜２０μｍ）ポリマー電解質薄膜は説明されていない。欧州特許出願公開第１２６１０５８号に記載の方法では、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が得られるのみで、触媒がコーティングされた薄膜（ＣＣＭ）へのリム材料の適用が必要な場合に必要なＣＣＭは得られない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の目的は、上記した問題を克服する触媒がコーティングされた薄膜を製造するための方法を与えることである。特に、本願発明の要点は、触媒層などにおけるクラックおよびしわの形成のような、薄膜の制御不能な寸法変化を防止することができる、高度な技術を要求することなく単純に実行可能な方法を与えることである。本願発明の他の目的は、高品質な触媒がコーティングされた薄膜を製造するための装置を与えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した解決すべき課題は、請求項１に記載の触媒がコーティングされた薄膜を製造するための方法によって解決される。本願発明にかかる方法に従い、続くラミネート工程において一緒にされる２つの部分的な触媒層によって形成された第１触媒層を準備することが必須である。ラミネート処理中に２つの部分的触媒層の間で十分な接着を達成するために、２つの部分的触媒層のひとつは非乾燥ステージにある必要がある。
【０００７】
本願発明のひとつの態様において、当該方法は、第１の触媒分散によって基板をコーティングする第１工程を有する。触媒インクとも呼ばれる第１の触媒分散は、少なくとも、触媒活性粒子、イオノマー、および、溶媒を含む。粘性修正剤等の他の機能添加剤が添加されてもよい。次のステップにおいて、第１の触媒がコーティングされた基板を得るべく基板上に与えられた第１触媒分散の乾燥が実行されてよい。別個に、薄膜の第２面側にサポートフィルムを設けるステップが実行される。これは例えば薄膜の第２面上にサポートフィルムをラミネートすることにより実行可能である。
【０００８】
代替的に、すでにサポートフィルムを具備する薄膜を使用することも可能である。
【０００９】
薄膜は特に限定されず、例えば、ポリマー電解質薄膜等のようなイオン活性薄膜などの任意の適当な種類の薄膜であってよい。サポートフィルムが薄膜の第２面に適用された後、薄膜の第１面側に第２の触媒分散をコーティングするコーティング工程が実行される。それにより、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜が得られる。第１の触媒分散と同様に、第２の触媒分散は、少なくとも触媒活性粒子、イオノマーおよび溶媒を含む。粘性修正剤等などの他の機能添加剤が添加されてもよい。薄膜へ第２の触媒分散を直接コーティングするこの工程中に、薄膜の制御不能な寸法変化（特に、ウエブテンションによる）が防止されるよう、サポートフィルムは薄膜を安定化しかつはがれを防止する。
【００１０】
次の工程において、第１の触媒がコーティングされた基板の第１触媒および基板の第１面側にコーティングされた第２の触媒分散の第２の触媒が重なり合うように、第１触媒がコーティングされた基板および第１面側に第２触媒分散がコーティングされた薄膜がラミネートされる。
【００１１】
本願発明のこの第１の態様において、以下で説明する後続のラミネート工程において第１の触媒と第２の触媒との間の必要な接着を達成するために、ラミネート工程中、薄膜の第１面側に直接コーティングされた第２の触媒分散はウエット状態、すなわち、非乾燥状態であり、一方、基板上に与えられた第１触媒分散は乾燥状態であることが重要である。
【００１２】
本願発明の第２の態様において、当該方法は、上記したように第１の触媒分散によって基板をコーティングする第１工程を含む。本願発明の第１の態様と異なるのは、基板上に与えられた第１の触媒分散は乾燥されず、それによって、第１の触媒分散が非乾燥状態である、第１の触媒分散がコーティングされた基板が得られる。
【００１３】
再度、別個に、薄膜の第２面側にサポートフィルムを設けるステップが実行される。これは、例えば、サポートフィルムを薄膜の第２面側にラミネートすることにより実行可能である。代替的に、すでにサポートフィルムを具備する薄膜を使用することも可能である。
【００１４】
薄膜は、上述したものと同一である。サポートフィルムが薄膜の第２面側に適用された後、薄膜の第１面側に第２の触媒分散をコーティングするコーティング工程が実行される。それによって、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜が得られる。この工程は、本願発明の第１の態様の方法の各ステップと同一であり、同じ有利な効果が達成される。続いて、薄膜の第１面側に設けられた第２の触媒分散を乾燥させる乾燥ステップが実行され、それにより、第１の面側に第２の触媒がコーティングされた薄膜が得られる。
【００１５】
したがって、本願発明の方法の第２の態様において、薄膜の第１の面側に設けられた第２の触媒分散層は乾燥状態であるが、本願発明の第１の態様において上述したように、基板上に設けられた第１の触媒分散層は乾燥状態である。続くラミネート工程が容易に実行可能であるように、それぞれの他の触媒層は非乾燥状態である。
【００１６】
ラミネート工程において、第１の触媒がコーティングされた基板（乾燥状態）および第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜（非乾燥状態）、または、第１の触媒分散がコーティングされた基板（非乾燥状態）および第１面側に第２の触媒がコーティングされた薄膜（乾燥状態）のいずれかが、第１の触媒層の第１触媒および第２の触媒層の第２の触媒が重なり合うように、ラミネートされる。
【００１７】
両方の場合において、触媒分散層の一方は、非乾燥状態、すなわち、ウエット状態であるため、形成される第１の触媒層の２つの部分的触媒層の間の強い接着が達成され、第１の触媒層を有する薄膜を含むラミネートが形成される。付加的に、基板が与えられ、第１の触媒層が基板と薄膜との間に形成される。続いて、ラミネートが乾燥される。
【００１８】
続く工程によって、第２の触媒層が薄膜の第２面側に形成される。最初に、サポートフィルムは、薄膜の第２面側から除去される。これは、サポートフィルムがラミネートの最も外側の層のひとつであるので容易に実行可能である。サポートフィルムの除去後、薄膜の第２面側は第３の触媒分散によって直接コーティングされる。第３の触媒分散は、少なくとも触媒活性粒子、イオノマーおよび溶媒を含む。粘性修正剤等のような他の機能添加剤を含んでもよい。続く第３触媒分散の乾燥工程の後、第２触媒層が薄膜上に形成される。
【００１９】
最後の工程において、第１のステップで第１の触媒分散によりコーティングされた基板は、ラミネートから除去される。それにより、触媒がコーティングされた薄膜が形成され、それは、順に、第１触媒層、薄膜、第２触媒層を有する。第１触媒層は第１の触媒分散および第２の触媒分散から形成される。
【００２０】
本願発明は、薄膜における寸法変化の観点から最も重要な工程である、薄膜上に触媒分散をコーティングするコーティング工程の各々の間に、薄膜は層を安定化するべく常に支持されているという利点を有する。すなわち、第２の触媒分散を直接コーティングする際、薄膜はサポートフィルムによって支持される。薄膜上に第３の触媒分散をコーティングする際、薄膜は、第１触媒がコーティングされた基板を含む第１触媒層および第２触媒分散の層を含む層によって支持される。したがって、寸法を変化させるしわ等の形成が、薄膜の安定化によって防止される。本願発明にかかる方法はさらに、触媒層および高い均一性を有する触媒がコーティングされた薄膜内のクラックの形成を防止し、したがって、優れた性能を保証する高品質の薄膜が製造可能となる。触媒がコーティングされた薄膜を製造する本願発明の方法は、高度な技術を必要とせずに、短い処理時間で、容易に実行可能である。製造された触媒がコーティングされた薄膜は、例示的に、薄膜電極アセンブリに利用可能である。
【００２１】
本願発明の有利な実施形態は従属項に記載されている。
【００２２】
本願発明の実施形態に従い、基板は多孔質である。１９９８年２月に発行されたＤＩＮ６６１３４のＮ２吸着ＢＪＨ法を使って測定した気孔率は、好適には、２０から９０％であり、より好適には４０から７０％である。
【００２３】
さらに好適には、基板の平均孔サイズは３０ｎｍから３００ｎｍである。したがって、基板上に与えられる第１触媒分散の乾燥は、高速で容易かつ均一に実行可能である。平均の孔サイズは１９９８年２月発行のＤＩＮ６６１３４のＮ２吸着ＢＪＨ法を使って決定可能である。
【００２４】
第１触媒分散がコーティングされる基板は、特に限定されない。好適な基板は、多孔質セラミック基板およびその合成物、発泡ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、および、ポリプロピレンからなる集合から選択される。これらのポリマー材料は、優れた下地特性を与える。
【００２５】
他の実施形態に従い、基板は表面処理される。基板を表面処理することにより、コーティングおよび剥離特性が改善される。好適には、プラズマ処理またはシリコンコーティング処理が実行される。
【００２６】
さらに有利には、第１の触媒で基板をコーティングする工程は、好適には、例えば、ドクターブレード、スロットダイ、カーテンコーティング、または、ロータリーシーブプリントを使って実行される。それにより、スムースな表面を保証する均一なコーティング層が適用される。したがって、薄膜の第１面側にコーティングされた第２の触媒分散に対する、基板にコーティングされた第１の触媒のラミネートが改善される。また、触媒層におけるクラック等の表面欠陥が防止可能である。
【００２７】
基板上への第１触媒分散の適用は、さらなる処理の前に第１触媒がコーティングされた基板を保存することを可能にする。好適には、第１の触媒がコーティングされた基板は、保存のためにロールされる。ローラー上で第１の触媒がコーティングされた基板をローリングすることにより、コーティングされた基板のハンドリングが促進される。
【００２８】
触媒分散の各々内の触媒の濃度は特に制限されない。しかし、好適実施形態に従い、第１の触媒分散内の第１触媒および第２の触媒分散内の第２触媒の総量は、第１触媒層内に与えられるべき全触媒注入量に対応して選択される。触媒の濃度は同じであっても違ってもよい。第１触媒分散および第２触媒分散内で、異なる触媒濃度を使用することにより、第１の触媒層中に濃度傾斜を導入することも可能である。
【００２９】
薄膜のしわおよび乾燥した第１触媒層内のクラックをより簡単に防止するために、コーティングされるべき薄膜の第１面側の面積あたりの第１触媒分散の溶媒の全最大量は、４ｇ／ｍ２から２１ｇ／ｍ２であり、および／または、薄膜に対する第２触媒分散内の溶媒の質量比は、０．１４ｇ／ｇから０．２１ｇ／ｇである。
【００３０】
優れたコーティングおよび剥離特性に従い、好適にはサポートフィルムは、ポリエチレンテレフタレートおよびポリエチレンナフタレートからなる集合から選択される。
【００３１】
薄膜は、サポートフィルム上で薄膜の第２面側を支持することにより薄膜を処理する際に独立して立つ薄膜であってもよい。しかし、好適実施形態に従い、薄膜は、薄膜の第１面側上に当該薄膜を安定化するためのカバー層を含む。また、このカバー層は、保存およびハンドリング中に薄膜が固くなることを防止する。薄膜がカバー層によってカバーされる場合、薄膜の第１面側が第２の触媒分散によってコーティングされる前に、当該カバーは除去される。
【００３２】
第１の触媒がコーティングされた基板と第１の触媒分散との間の平坦性および接着性を改善するために、第１の触媒がコーティングされた基板を第２の触媒分散がコーティングされた薄膜の第１面側へラミネートするするラミネート工程、または、第１触媒分散がコーティングされた基板を第２の触媒がコーティングされた薄膜の第１面側にラミネートするラミネート工程は、好適にカレンダー加工を含む。
【００３３】
さらに有利には、当該方法は、基板を除去する前に、第２の触媒層の表面上で担持フィルムを支持する工程を有する。この担持フィルムは、例えば、保存または輸送中に、第１触媒層および第２触媒層が汚れるのを防止しかつ保護する。特に、第２触媒分散が第１面側にコーティングされ、第３触媒分散が第２面側にコーティングされた薄膜を準備する際、当該薄膜は、保存および輸送用にロールされ、第２および第３触媒分散（または、触媒分散の乾燥が実行された場合には触媒層どうし）が互いに接触しない。
【００３４】
ここで、本願発明を適用することにより得られる効果を示す実施例および比較例を以下に示す。
【００３５】
実施例１
以下の組成を有するアノードおよびカソード用の触媒インクは本願発明の方法に従う触媒がコーティングされた薄膜（ＣＣＭ）を生成するのに使用された。
１０．０ｇ  Ｐｔ−担持触媒（黒鉛化Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２上に２０wt.% のPt）
２８．６ｇ  商業的なナフィオン（商標）分散体  D-2020
２６．０ｇ  水（完全に脱イオン化）
３５．４ｇ  １−プロパノール
【００３６】
本願発明に従う方法の第１の工程において、多孔性ポリプロピレン基板が５０．２５ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することにより、触媒インクによってコーティングされ、最後にオーブン内で適用されたウエット電極が乾燥されて溶剤が除去された。
【００３７】
次のステップにおいて、第２面側に担持フォイルを含む担持ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ポリマー電解質薄膜が、２５．１３ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することにより、触媒インクにより第１面側に直接コーティングされた。支持のないＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の厚みは、１５μｍである。支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜は、第１面側にカバーフォイルも含むことが可能で、それは、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側をコーティングする前に最初に除去されなければならない。
【００３８】
支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側をコーティングした後、多孔性ポリプロピレン基板は、すでに乾燥した電極層（０．１０ｍｇＰｔ／ｃｍ２のＰｔ負荷）により、乾燥しかつウエット層が重なり合うような方法で、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のウエット電極層上に直接適用された。次の工程において、この合成物（ラミネート）は、オーブン内で乾燥され、ウエット電極の溶媒が除去された。乾燥後、合成物は、トータルで０．１５ｍｇＰｔ／ｃｍ２のＰｔ負荷を含む乾燥した電極層を有した。
【００３９】
次の工程において、合成物のＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のサポートフォイルが除去され、ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第２面側は、２５．１３ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することにより、触媒インクにより直接コーティングされた。合成物は最後にオーブン内で乾燥され、ウエット電極層の溶剤が除去された。
【００４０】
さらなる工程にいて、プロセスフォイルは、合成物のすでに乾燥した第２電極層（Ｐｔ負荷０．０５ｍｇ／ｃｍ２）上に直接ラミネートされた。
【００４１】
次の工程において、合成物の多孔性ポリプロピレン基板は、第１電極層から除去され、最後に、プロセスフォイル上に触媒がコーティングされた薄膜（ＣＣＭ）が得られた。
【００４２】
実施例２
以下の組成を有するアノードおよびカソード用の触媒インクは本願発明の方法に従う触媒がコーティングされた薄膜（ＣＣＭ）を生成するのに使用された。
１０．０ｇ  Ｐｔ−担持触媒（黒鉛化Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２上に２０wt.% のPt）
２８．６ｇ  商業的なナフィオン（商標）分散体  D-2020
２６．０ｇ  水（完全に脱イオン化）
３５．４ｇ  １−プロパノール
【００４３】
本願発明に従う方法の第１ステップにおいて、多孔性ポリプロピレン基板は、２５．１３ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することにより、触媒インクによってコーティングされた。第２面側に支持されたＰＦＳＡポリマー電解質は、合成物を形成するべく、多孔性ポリプロピレン基板のウエット電極層上の第１面側に適応された。サポートフォイルを有しないＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の厚みは、１５μｍである。支持されたポリマー電解質薄膜がその第１面側にカバーフォイルを含むことも可能である。それは、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜を適用する前に最初に除去されなければならない。合成物は最終的に、オーブン内で乾燥され、ウエット電極層の溶剤が除去された。
【００４４】
次の工程において、合成物の支持されたＰＦＳＡポリマー電極薄膜のサポートフォイルが除去され、ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第２面側が、７５．３４ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することによって触媒インクにより、直接コーティングされた。合成物は最後にオーブンによって乾燥され、ウエット電極層の溶剤が除去された。
【００４５】
次の工程において、プロセスフォイルが、合成物のすでに乾燥した第２電極層の上に直接ラミネートされた。
【００４６】
次の工程において、合成物の多孔性ポリプロピレン基板が第１電極層から除去され、最後に、プロセスフォイル上に、触媒がコーティングされた薄膜（ＣＣＭ）が得られた。
【００４７】
比較例１
実施例１および２と同じ組成を有するアノードおよびカソード用の触媒インクが比較例の方法で使用された。それは、電極層内にクラックを生じさせ、サポートフォイルからの担持ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のしわ／はがれを生じさせた。
１０．０ｇ  Ｐｔ−担持触媒（黒鉛化Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２上に２０wt.% のPt）
２８．６ｇ  商業的なナフィオン（商標）分散体  D-2020
２６．０ｇ  水（完全に脱イオン化）
３５．４ｇ  １−プロパノール
【００４８】
比較例の方法に従い、第１ステップにおいて、その第２面側にサポートフォイルを含む担持ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜は、３０．２ｇ／ｍ２の量を適用することにより、触媒インクによりその第１面側にコーティングされた。他の試験において、１２５．６ｇ／ｍ２の触媒インクが同じ方法で適用された。サポートフォイルの無いＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の厚さは１５μｍであった。支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側にカバーフォイルが存在する場合、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側をコーティングする前に、最初にカバーフォイルが除去されなければならない。ウエット電極層を乾燥させる前に、３０．２ｇ／ｍ２と１２５．６ｇ／ｍ２の量の両方の触媒インクに対してそのサポートフォイルからＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のはがれがすぐに生じ、したがって、ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のしわが形成された。最後に、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側のウエット電極層はオーブン内で乾燥され、溶剤が除去された。乾燥の後、１２５．６ｇ／ｍ２の量の触媒インクから得られた電極層、および、３０．２ｇ／ｍ２の量の触媒インクから得られた電極層にクラックの形成が見られた。ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のしわが乾燥後に残った。
【００４９】
ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜によって形成されるしわのため、支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第１面側の乾燥した電極上に、直接プロセスフォイルを均一にラミネートすることは不可能であった。
【００５０】
比較例２
支持されたＰＦＳＡポリマー薄膜のしわ／はがれがそのサポートフィルムから導かれる比較例の方法に従って、実施例１および２と同じ組成を有するアノードおよびカソード電極用の触媒インクが使用された。
１０．０ｇ  Ｐｔ−担持触媒（黒鉛化Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２上に２０wt.% のPt）
２８．６ｇ  商業的なナフィオン（商標）分散体  D-2020
２６．０ｇ  水（完全に脱イオン化）
３５．４ｇ  １−プロパノール
【００５１】
本願発明に従う方法の第１工程において、多孔性ポリプロピレン基板は、１２５．６ｇ／ｍ２の量のウエット電極層を適用することによって、触媒インクでコーティングされる。第２面側に支持された、サポートＰＦＳＡポリマー電解質薄膜は、合成物を形成するべく多孔性ポリプロピレン基板のウエット電極上へその第２面側に適用された。サポートフィルムの無いＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の厚さは、１５μｍである。支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜はその第１面側にカバーフォイルを含み、それは、支持されたＰＦＳＡポリマー薄膜を適用する前に最初に除去されなければならない。
【００５２】
合成物のウエット電解質層を乾燥する前に、サポートフォイルからＰＦＳＡポリマー電解質のはがれがすぐに生じ、したがって、ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のしわが形成された。最後に、合成物のウエット電解質層は、オーブン内で乾燥され、溶剤が除去された。乾燥後、電極層は、ＰＦＳＡ電解質薄膜のしわは残るが、クラックは形成されなかった。
【００５３】
合成物の支持されたＰＦＳＡポリマー電解質薄膜のサポートフォイルを除去した後、ＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の残ったしわのため、触媒インクを適用することによってＰＦＳＡポリマー電解質薄膜の第２面側上に直接均一なウエット電極層をコーティングすることは不可能であった。
【００５４】
本願発明はさらに、触媒がコーティングされた薄膜を製造するための装置に関する。当該装置は第１の処理ユニット、第２の処理ユニット、および第３の処理ユニットを有する。３つの処理ユニットは別個の処理ユニットとして与えられるか、または、ひとつの処理ユニットとして実装されてもよい。
【００５５】
第１の処理ユニットは、ｉ）基板を送りかつ搬送するための基板送りユニットを有する。例として、基板は、ローラー上に与えられ、送りおよび搬送処理中に巻かれなくてよい。第１の処理ユニットはさらに、ｉｉ）第１触媒分散がコーティングされた基板を得るべく、基板の第１面側上に第１の触媒分散をコーティングするための第１触媒分散コーティングユニットを有する。第１処理ユニットの使用により、第１触媒分散がコーティングされた基板は、高い精度で製造可能である。
【００５６】
第２の処理ユニットは、ｉ）例えば、ポリマー電解質薄膜のような薄膜を送りかつ搬送するための薄膜送りユニットを有する。この送りユニットは、薄膜が保存のためにその上に巻かれたローラーであってもよい。ローラーから薄膜を送る際、薄膜はローラーからほどかれ、次のユニットへ搬送される。第２の処理ユニットはさらにｉｉ）サポートフィルムを送るためのサポートフィルム送りユニットを有する。サポートフィルムは薄膜へ送られ、ｉｉｉ）サポートフィルムラミネートユニット内で、サポートフィルムは薄膜の第２面側にラミネートされる。それによって、薄膜の寸法は安定化される。第２のプロセスユニットにおいて、第１面側が第２触媒分散によってコーティングされた薄膜を得るため、カバーされていない薄膜の第１面側上に第２の触媒分散をコーティングするためのｉｖ）第２触媒分散コーティングユニットが与えられる。
【００５７】
第１処理ユニットまたは第２処理ユニットは、乾燥ユニットを含む。乾燥ユニットは、例えば、オーブンまたは加熱エレメントであってよい、乾燥ユニットが第１プロセスユニット内に与えられる場合、当該乾燥ユニットは、第１触媒がコーティングされた基板を得るべく第１触媒分散を乾燥する。当該乾燥ユニットが第２の処理ユニット内に与えられる場合、乾燥ユニットは、第１面側が第２の触媒でコーティングされた薄膜を得るべく、第１面側が第２の触媒分散で被覆された薄膜を乾燥するために使用される。
【００５８】
第２の処理ユニットはさらに、第１の触媒および第２の触媒が重なり合うように、第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜へ第１の触媒分散がコーティングされた基板をラミネートするか、第１の処理ユニット内で製造された第１の触媒がコーティングされた基板および第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜をラミネートするためのｖ）ラミネートユニットを有する。したがって、２つの（部分的）触媒含有層が一緒にされ、それにより単一の第１触媒層が形成される。結果的に、ラミネートユニットにおいて、薄膜上に設けられた第１の触媒層を含むラミネートが形成される。言い換えれば、第１の触媒層は、一方側の薄膜および他方側の基板によって、サンドイッチされる。
【００５９】
他のユニットとして、第２の処理ユニットは、ラミネートを乾燥するためのｖｉ）乾燥ユニットを有する。当該乾燥ユニットは、例えば、オーブンまたは加熱エレメントであってよい。第２の処理ユニットはさらに、薄膜の第２面側からサポートフィルムを除去するための第１除去ユニットを有する。これは、コーティング用の第２薄膜面を準備するために必須である。第２の処理ユニットにおいて、第１触媒層は薄膜内に与えられ、それにより、第２の触媒分散をコーティングする工程の間および第１の触媒がコーティングされた基板をラミネートする間、薄膜が支持される。よって、薄膜におけるしわの形成および第１触媒層内でのクラックの形成が防止される。
【００６０】
薄膜の第２面側からサポートフィルムを除去するための第１除去ユニットは、以下で説明する第３の処理ユニットの一部または別個の処理ユニットを形成してよいことに注意されたい。
【００６１】
第３の処理ユニットはｉ）薄膜の第２面側上に第３の触媒分散をコーティングするための第３の触媒分散コーティングユニットを有する。この工程中、薄膜および基板の第１面側上に設けられた第１触媒層によって支持され、その寸法が安定化する。それにより、第３の触媒分散の直接コーティング中に、薄膜中のしわの形成が防止される。第３の触媒分散を乾燥するためのｉｉ）乾燥ユニットが、第３の触媒分散コーティングユニットに続いて設けられる。乾燥ユニットとして、オーブンまたは加熱エレメントが適宜設けられてよい。第３の処理ユニットはさらに、第１の触媒がコーティングされた基板から基板を除去するためのｉｉｉ）第２除去ユニットを有し、それにより、触媒がコーティングされた薄膜が得られ、それがｉｖ）保存ユニット内に保存されてよい。例として、保存ユニットは、触媒がコーティングされた薄膜が巻き取られるローラーであってもよい。
【００６２】
本願発明の装置は、第１の触媒層および第２の触媒層が薄膜をサンドイッチする触媒層によって、両側がコーティングされた薄膜を製造することを可能する。第２または第３の触媒分散で薄膜をコーティングする際、当該薄膜は、薄膜内のしわの形成および触媒層内のクラックの形成が防止されるように、全処理を通じて、薄膜が支持される。サポートフィルムからの薄膜のはがれが防止される。薄膜内に寸法の変化は形成されず、触媒がコーティングされた薄膜は優れた性能および能力を示す。
【００６３】
また、本願発明の装置は、層の異なる構成および構造を示す、触媒がコーティングされた薄膜を製造することを可能にする。したがって、バリア層、接着層、および他の機能層は、触媒がコーティングされた薄膜内に適宜組み込み可能である。
【００６４】
本願発明の触媒がコーティングされた薄膜を製造するための方法に関して開示された利点および好適実施形態は、触媒がコーティングされた薄膜を製造するための装置にも応用可能である。
【００６５】
本願発明の好適実施形態に従い、第２の処理ユニットは、サポートフィルムラミネートユニットと、第２の触媒分散コーティングユニットとの間に、薄膜の第１面側に設けられたカバー層を除去するためのカバー層除去ユニットを有する。
【００６６】
触媒がコーティングされた薄膜の品質を向上させるために、第１、第２および第３処理ユニットの少なくともひとつは、少なくともひとつのクリーニングユニットおよび／またはインライン制御ユニットを有する。
【００６７】
付加的に、第１触媒層および第２触媒層が、触媒がコーティングされた薄膜を保存中に、ロールとして互いに接触しないように、かつ、適当な担持フィルム上の触媒がコーティングされた薄膜が薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を準備する次の処理のためのインプットとして使用可能であるように、基板を除去する前に第２の触媒層の表面上に担持フィルムをサポートするための担持フィルム送りユニットが有利に設けられてよい。
【００６８】
本願発明は、以下の図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、触媒がコーティングされた薄膜を製造するための方法の実施形態を示す処理図である。
【図２】図２は、本願発明の実施形態に従う第１の処理ユニットを示す図である。
【図３】図３は、本願発明の装置の実施形態に従う第２の処理ユニットを示す図である。
【図４】図４は、本願発明の実施形態に従う第３の処理ユニットを示す図である。
【図５】図５は、他の実施形態に従う触媒がコーティングされた薄膜を製造するためのマルチユニット装置を示す図である。
【図６】図６は、本願発明の実施形態に従って得られた触媒がコーティングされた薄膜を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
図面を通じて、本願発明の必須の態様のみが示される。他の態様は、明確化のために省略されている、図面において、同じ構成要素に対して同一の符号が付されている。
【００７１】
詳細には、図１は、本願発明の実施形態に従う触媒がコーティングされた薄膜１４を製造するための処理図を示す。
【００７２】
第１の処理ラインにおいて、発泡ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、または、ポリプロピレンによって形成された好適には多孔性である基板１が与えられる。ステップＡ）において、少なくとも触媒活性粒子、イオノマーおよび溶媒、ならびに、適用可能な他の添加物を含む第１触媒分散２が準備され、かつ、基板１をコーティングするために基板の一方の面に適用される。第１の触媒分散がコーティングされた基板３ａが得られ、続いて、ステップＢ）において乾燥される。それにより、基板１および第１触媒分散２ａの層を含む、第１触媒がコーティングされた基板３ｂが得られる。
【００７３】
第２のプロセスラインにおいて、薄膜４が与えられる。薄膜４は、第１面４ａおよび第２面４ｂを有する。薄膜の第１面側４ａに、汚染から薄膜４を保護するカバー層５が設けられる。薄膜の第２面側４ｂに、前のステップ（図示せず）で薄膜４に適用されたサポートフィルム６が与えられる。
【００７４】
ステップＣ）において、カバー層５は薄膜の第１面側４ａから除去される。続いて、ステップＤ）において、触媒活性粒子、イオノマーおよび溶剤、ならびに、適用可能な他の添加物を含む第２の触媒分散７が、薄膜をカバーするべく薄膜の第１面側４ａにコーティングされる。それにより、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８が得られる。第２の触媒分散７のコーティングステップ中、薄膜４はサポートフィルム６により支持され、寸法が安定化する。これにより、薄膜の寸法変化が無く、薄膜４のしわの無いコーティングが保証される。
【００７５】
続くラミネートステップＥ）において、薄膜の第１面側４ａに適用された第２の触媒分散７は、まだ非乾燥状態である。ステップＥ）は、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂの第１の触媒と、薄膜８の第１面側における第２の触媒分散の第２の触媒とが重なり合うように、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂと第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜８とをラミネートする工程を示す。それによって、第１の触媒分散２ａの層および薄膜の第１面側にコーティングされた第２の触媒分散の層から形成される第１の触媒層１１を有する薄膜４を含むラミネート９が形成される。ラミネートは、カレンダー加工によって改善される。
【００７６】
続いて、ステップＦ）において、ラミネートは乾燥され、それによって乾燥したラミネート１０が得られる。それにより、第１の触媒分散２ａの層と、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８とが結合される。
【００７７】
ステップＧ）において、薄膜の第２面側４ｂからサポートフィルム６が除去され、それによって、薄膜の第２面側４ｂが露出する。続いて、ステップＨ）において、少なくとも触媒活性粒子、イオノマーおよび溶剤、ならびに適用可能であれば他の添加剤を含む第３の触媒分散１２が薄膜の第２面側４ｂにコーティングされる。このコーティングステップ中、薄膜４は、第１の触媒層１１および基板１によって安定化され、それにより、薄膜４の寸法変化が防止される。
【００７８】
ステップＩ）において、第３の触媒分散が乾燥され、それにより薄膜４上で第２の触媒層１３が得られる。
【００７９】
第３の触媒がコーティングされた基板から基板１を除去した後、第１の触媒層１１の一部を形成するステップＪ）において、触媒がコーティングされた薄膜１４が得られる。
【００８０】
触媒がコーティングされた薄膜１４は、薄膜４の一方側に第１の触媒層１１を有し、薄膜４の他方側に第２の触媒層１３を有する。したがって、第１の触媒層１１および第２の触媒層１３は、薄膜４をサンドイッチしている。触媒がコーティングされた薄膜１４は、例えば、燃料セルアプリケーション用の薄膜電極アセンブリを製造するために使用され、優れた性能および安定性を有する。
【００８１】
図２は、本願発明の実施形態に従う、触媒がコーティングされた薄膜を製造するための装置の一部を形成する第１の処理ユニット１００を示す。
【００８２】
処理ユニットにおいて、多孔性基板１は、基板を送りかつ搬送するための基板ローラー１０２および支持ローラー１０３を含む基板送りユニット１０１から送られる。特に、基板１は、第１の触媒分散がコーティングされた基板３ａを得るべく、基板ローラー１０２からほどかれ、支持ローラー１０３によって支持され、クリーニングユニット１０９によってクリーニングされ、基板１の第１面側に第１の触媒分散２をコーティングするための第１の触媒分散コーティングユニットへ案内される。第１の触媒分散コーティングユニット１０４は、コーティングローラー１０５およびスロットダイ１０６を有してよい。それに続いてさらにインライン制御ユニット１１０が設けられ、第１の触媒分散コーティングユニット１０４に続いてさらに第１の触媒分散２を乾燥するための乾燥ユニット１０７が設けられる。続いて、支持ローラー１０３を通じて保存ローラー１０８へ案内され、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂが得られる。
【００８３】
第１の処理ユニット１００は、図１の処理工程Ａ）およびＢ）を実行するために使用される。
【００８４】
図３は、第２の処理ユニット２００の実施形態を示す、第２の処理ユニット２００は、薄膜ローラー２０２および薄膜４を送りかつ搬送するための支持ローラー２０３を含む薄膜送りユニット２０１を有する。薄膜４をクリーニングするためのクリーニングユニット２１５が与えられる。使用される薄膜は薄膜の第２面側４ｂをカバーするサポートフィルム６をすでに備えている。したがって、サポートフィルム６を送るためのサポートフィルム送りユニット、および、薄膜の第２面側４ｂにサポートフィルム６をラミネートするためのサポートフィルムラミネートユニットは図３に示されていないが、それらは第２の処理ユニットの一部を構成してもよくまたは別個の処理ユニットの一部であってもよい。クリーニングユニット２１５に続いて、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８を得るべく、第２の触媒分散７を薄膜の第１面側４ａにコーティングするための第２触媒分散コーティングユニット２０４が与えられる。第２の触媒分散コーティングユニット２０４は、第２の触媒分散７を適用するためのコーティングローラー２０５およびスロットダイ２０６を有する。
【００８５】
薄膜はカバーフォイル５によってカバーされてもよい。その場合、除去ユニット２１６および薄膜４のカバーフォイル５をほどくためのローラー２１７が第２の触媒分散コーティングユニットの手前に設けられてよい。
【００８６】
送りユニット２０７から、第１処理ユニットで得られた第１の触媒がコーティングされた基板３ｂが与えられる。第１の触媒がコーティングされた基板３ｂは支持ローラーを通じて支持されて保存ローラー２０８からラミネートユニット２０９へ送られる。第１の触媒がコーティングされた基板３ｂの第１の触媒および第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８の第２の触媒が重なり合うように、ラミネートユニット２０９において、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂおよび第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜８がラミネートされる。それにより、薄膜上に第１の触媒層を含むラミネートが形成される。ラミネートの品質を制御するためのインライン制御ユニット２１４が設けられる。続く乾燥ユニット２１０において、ラミネートが乾燥される。
【００８７】
乾燥後、乾燥したラミネートは、薄膜の第２面側からサポートフィルム６を除去するための除去ユニット２１１へ案内される。除去ユニット２１１は、分離したサポートフィルムを巻き上げるためのローラー２１２を含む。第１の触媒層がコーティングされた薄膜は、ローラー形式の保存ユニット２１３内に格納される。
【００８８】
図４は、第３の処理ユニット３００の実施形態を示す。第３の処理ユニット３００は、第１の触媒層がコーティングされた薄膜が保存されるローラー３０２および支持および搬送用の支持ローラー３０３を含む送りユニット３０１を有する。薄膜の第２面側からサポートフィルム６を除去するための第１除去ユニット３０４が、ローラー３０２とクリーニングユニット３１７との間に設けられる。ここで、サポートフィルム６は、薄膜の第２面側から分離されローラー３０５上に巻き取られる。
【００８９】
薄膜の第２面側に第３の触媒分散をコーティングするための第３の触媒分散コーティングユニット３０６がさらに設けられる。第３の触媒分散コーティングユニット３０６は、ローラー３０７および第３の触媒分散１２を適用するためのスロットダイ３１６を有する。乾燥ユニット３０８の前に、インライン制御ユニット３１５が設けられる。続く乾燥ユニット３０８において、第３の触媒分散１２が薄膜上で乾燥され、それにより第２の触媒層がコーティングされた薄膜が形成される。乾燥ユニット３０８に続いて、担持フィルム送りユニット３０９が、担持フィルムを第２の触媒層の表面へサポートしてラミネートするために設けられる。担持フィルム送りユニットは、送りローラー３１０、支持ローラー３１１、および、ラミネートローラー３１２を含む。触媒がコーティングされた薄膜が巻き上げられたとき、第１の触媒層と接触するように、担持フィルムは第２触媒層の表面を保護する。第１の触媒層の一部を形成する第１の触媒層がコーティングされた基板から基板１を除去するための第２の除去ユニット３１３が与えられる。この第２の除去ユニット３１３は代替的に別個の装置内に設けられてもよい。ローラー形式の保存ユニット３１４は、触媒がコーティングされた薄膜１４を保存するために設置されている。
【００９０】
図５は、他の実施形態に従う、触媒がコーティングされた薄膜を製造するためのマルチユニット装置４００を示す。ひとつのマルチユニット装置により、触媒がコーティングされた薄膜が容易に準備可能である。マルチユニット装置４００は、上記した図面で説明した異なる処理の各々で別個に使用可能なほとんどのユニットを組み合わせたものである。したがって、マルチユニット装置４００は本願発明の触媒がコーティングされた薄膜を準備するために必要な複数の処理で個別に使用可能である。
【００９１】
第１の処理ステップにおいてマルチユニット装置４００を使用する際、ローラー４０２は基板を保存する。当該基板はローラー４０２からほどかれ、送りユニット４０１を通じて、クリーニングユニット４１８を介して、支持ローラー４０３を通過し、触媒コーティングユニット４０６へ送られる。触媒コーティングユニット４０６において、第１の触媒分散はスロットダイ４０７を使って基板の表面にコーティングされる。インライン制御ユニット４１５を通過した後、第１の触媒分散がコーティングされた基板は、乾燥ユニット４１０を通過し、第１の触媒分散が乾燥され第１の触媒がコーティングされた基板が得られる。当該第１の触媒がコーティングされた基板は、支持ローラー４０３により支持され、保存ユニット４１３で保存用にロールされる。この場合、保存ユニット４１３はローラーである。
【００９２】
第２の処理ステップにおいてマルチユニット装置４００を使用する際、サポートフィルムを保存するローラー４０２からそれがほどかれ、支持ローラー４０３によって支持される。サポートフィルムは、保護層により覆われてもよい。この場合、保護層は除去ユニット４０４において除去され、除去された保護層はローラー４０５に保存のために巻き取られて良い。カバーが除去されたサポートフィルムは、クリーニングユニット４１８を通過し、ラミネートユニット４０９へ搬送される。薄膜は保存ローラー４０８からほどかれ、支持ローラー４１９を介してラミネートユニット４０９まで支持される。ラミネートユニット４０９において、サポートフィルムは、両方の層が互いに接着するように、薄膜の第２面側へラミネートされる。インライン制御ユニット４１５を通過した後、薄膜の第２面側とサポートフィルムとの間の接着は、乾燥ユニット４１０内でラミネート済みの層を加熱することによって改善される。送りローラー４１７から、カバーフォイルがほどかれ、支持ローラー４１４を介してラミネートローラー４１６へ搬送される。ラミネートローラー４１６において、カバーフォイルおよび薄膜の第２面側のサポートフィルムがラミネートされ、カバーフォイルによって第１面側がカバーされ、かつ、サポートフィルムによって第２面側がカバーされた薄膜からなる３層ラミネートが形成される。
【００９３】
第３の処理ステップにおいてマルチユニット装置４００を使用する際、薄膜、カバーフォイルおよびサポートフィルムを含むラミネートがローラー４０２上に与えられ、送りユニット４０１から送られる。除去ユニット４０４において、カバーフォイルはラミネートから除去され、ローラー４０５に保存するために巻き上げられる。第２面側にサポートフィルムがコーティングされた薄膜は、支持ローラー４０３によって支持され、クリーニングユニット４１８を通過し、触媒コーティングユニット４０６へ搬送される。スロットダイ４０７を通じて、第２の触媒分散が薄膜の第１面側にコーティングされ、第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜が得られる。保存ローラー４０８から、第１の処理ステップで得られた第１の触媒がコーティングされた基板がほどかれ、支持ローラー４１９を通じて、ラミネートユニット４０９まで支持される。ラミネートユニット４０９において、第１の触媒がコーティングされた基板は、第１の触媒および第２の触媒が重なり合うように、第２の触媒分散が第１の面側にコーティングされた薄膜にラミネートされる。それにより、第１の触媒層を含む薄膜を有するラミネートが形成される。ラミネートステップにおいて、第２の触媒分散は、基板上にコーティング層として与えられすでに乾燥した第１の触媒分散との接着性を改善するよう非乾燥状態である。得られたラミネートは、続いて、乾燥ユニット４１０内で乾燥され、支持ローラー４０３を介して保存ユニット４１３まで案内される。保存ユニット４１３において、薄膜および第１触媒層を有するラミネートは保存用に巻き上げられる。
【００９４】
第４の処理ステップでマルチユニット装置４００を使用する際、ローラー４０２は薄膜、第１触媒層、および、サポートフィルムを含むラミネートを保存する。当該ラミネートは送りユニット４０１から送られ、支持ローラー４０３により支持される。除去ユニット４０４において、サポートフィルムはラミネートから除去され、薄膜の第２面側は露出する。クリーニングユニット４１８でクリーニングした後、ラミネートは触媒コーティングユニット４０６へ搬送される。触媒コーティングユニット４０６において、薄膜の第２面側は第３の触媒分散によってコーティングされる。コーティングされた薄膜はその後、乾燥ユニット４１０へ案内され、そこで、第３の触媒が乾燥され、薄膜の第２面側に第２の触媒層が形成される。乾燥ユニット４１０を通過した後、担持フォイルが送りローラー４１７からほどかれてもよい。担持フォイルは、その後、ラミネートローラー４１６を使って第２の触媒層へラミネートされてもよい。薄膜は支持ローラー４０３を介して支持された後、第１の触媒層をカバーするカバーが、除去ユニット４１１で除去され、ローラー４１２上に保存するために巻き取られる。次に、触媒がコーティングされた薄膜は保存ユニット４１３において保存するために巻き上げられる。
【００９５】
マルチユニット装置は、高い機能性を有し、薄膜にコーティングされた触媒は、処理工程の各々に対して個別に複数の装置を必要とせずに容易に準備可能である。マルチユニット装置４００の異なるユニットは、それぞれの処理ステップにおいて要求されるように、アクティブ化または非アクティブ化が可能である。
【００９６】
図６は、本願発明の方法の実施形態にしたがって得られた触媒がコーティングされた薄膜１９を示す。本願発明のＤＭＣ用のサンドイッチ複数層アプローチの使用により、他の層構成も可能である。
【００９７】
特に、図６は、代替的または付加的な機能層を導入する完全な構成を示し、触媒がコーティングされた薄膜の最小構成は、図１の触媒がコーティングされた薄膜１４によって表される。以下で符号の説明が、図１に示すプロセスを説明するために付加的に設けられる。
【００９８】
図６に示すような他の機能層を含む、触媒がコーティングされた薄膜１９を得るために、薄膜の第１面側４ａへの第１の触媒層１１の接触を強化するべく、図１のステップＤにおいて第２の触媒分散７を使う代わりに第１の触媒分散が使用される。
【００９９】
ステップＥで、第１の触媒がコーティングされた基板３ｂを合成物と結合し最後に乾燥した後、触媒層は、第１の触媒分散２ｂの乾燥層から形成されているが、図６において第２の触媒分散７の層は第１の機能層１５である。
【０１００】
ステップＨで、第３の触媒分散１２を使う代わりに、薄膜の第２面側４ｂへの第２の触媒層１３の接着を強化するために、第２の分散が使用され、それにより、乾燥した第２の機能層１７が得られる。
【０１０１】
第３の触媒分散１２は第２の機能層１７上に直接コーティングされ、最後に乾燥して、第２の触媒層１３が得られる。
【０１０２】
基板１、第１の触媒分散２ｂの乾燥した層、第１の機能層１５、薄膜４、第２の機能層１７、および、第２の触媒層１３から構成される合成物を得た後、第３の分散は、第２の触媒層１３上に直接コーティングされ、最後に乾燥されて、バリア層となる第３の機能層１８が得られる。
【０１０３】
図６において層１６を得るために、最初に担持フィルムが第３機能層１８へ適用され、あとで基板１が第１の触媒分散２ｂの乾燥した層から除去される。
【０１０４】
第４の分散が、第１の触媒分散２ｂの乾燥した層上に直接コーティングされ、最後に乾燥されて、バリア層となる第４の機能層１６が得られる。
【０１０５】
担持フィルムが除去され、付加的機能層を含む触媒がコーティングされた薄膜１９が得られる。
【符号の説明】
【０１０６】
１        基板
２        第１の触媒分散
２ａ      第１の触媒分散の層
２ｂ      第１の触媒分散の乾燥した層
３ａ      第１の触媒分散がコーティングされた基板
３ｂ      第１の触媒がコーティングされた基板
４        薄膜
４ａ      薄膜の第１面側
４ｂ      薄膜の第２面側
５        カバー層
６        サポートフィルム
７        第２の触媒分散
８        第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた基板
９        ラミネート
１０      乾燥したラミネート
１１      第１触媒層
１２      第３の触媒分散
１３      第２触媒層
１４      触媒がコーティングされた薄膜
１５      第１機能層
１６      第４機能層
１７      第２機能層
１８      第３機能層
１９      触媒がコーティングされた薄膜
１００    第１処理ユニット
１０１    基板送りユニット
１０２    基板ローラー
１０３    支持ローラー
１０４    第１触媒分散コーティングユニット
１０５    コーティングローラー
１０６    スロットダイ
１０７    乾燥ユニット
１０８    保存ローラー
１０９    クリーニングユニット
１１０    インライン制御ユニット
２００    第２処理ユニット
２０１    薄膜送りユニット
２０２    薄膜ローラー
２０３    支持ローラー
２０４    第２触媒分散コーティングユニット
２０５    コーティングローラー
２０６    スロットダイ
２０７    送りユニット
２０８    保存ローラー
２０９    ラミネートユニット
２１０    乾燥ユニット
２１１    除去ユニット
２１２    ローラー
２１３    保存ユニット
２１４    インライン制御ユニット
２１５    クリーニングユニット
２１６    除去ユニット
２１７    ローラー
３００    第３処理ユニット
３０１    送りユニット
３０２    ローラー
３０３    支持ローラー
３０４    第１除去ユニット
３０５    ローラー
３０６    第３触媒分散コーティングユニット
３０７    コーティングローラー
３０８    乾燥ユニット
３０９    担持フィルム送りユニット
３１０    送りローラー
３１１    支持ローラー
３１２    ラミネートローラー
３１３    第２除去ユニット
３１４    保存ユニット
３１５    インライン制御ユニット
３１６    スロットダイ
３１７    クリーニングユニット
４００    触媒がコーティングされた薄膜を製造するためのマルチユニット装置
４０１    送りユニット
４０２    ローラー
４０３    支持ローラー
４０４    除去ユニット
４０５    ローラー
４０６    触媒コーティングユニット
４０７    スロットダイ
４０８    保存ローラー
４０９    ラミネートユニット
４１０    乾燥ユニット
４１１    除去ユニット
４１２    ローラー
４１３    保存ユニット
４１４    支持ローラー
４１５    インライン制御ユニット
４１６    ラミネートローラー
４１７    送りローラー
４１８    クリーニングユニット
４１９    支持ローラー
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００６４５９３号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１２６１０５８号
【図１】
2018020307.tif 000003
【図２】
2018020307.tif 000004
【図３】
2018020307.tif 000005
【図４】
2018020307.tif 000006
【図５】
2018020307.tif 000007
【図６】
2018020307.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月10日(2017.8.10)
【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】
触媒がコーティングされた薄膜を準備する方法であって、
第１の触媒分散（２）を基板（１）にコーティングし、それにより、第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を得る工程と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）にサポートフィルム（６）を与える工程と、
前記薄膜の第１面側（４ａ）に第２の触媒分散（７）をコーティングし、それによって、第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜（８）を得る工程と、
前記第１の触媒分散（２）を乾燥し、それによって、第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を得るか、または、第１面側に前記第２の触媒分散がコーティングされた前記薄膜（８）を乾燥し、それにより、第１面側に第２の触媒がコーティングされた薄膜を得る工程と、
前記第１の触媒および前記第２の触媒が重なり合うように、前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜（８）へラミネートするか、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜へラミネートし、それによって、第１の触媒層（１１）を有する薄膜（４）を含むラミネート（９）を形成する工程と、
前記ラミネート（９）を乾燥する工程と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）から前記サポートフィルム（６）を除去する工程と、
第３の触媒分散（１２）を前記薄膜の第２面側（４ｂ）にコーティングする工程と、
前記第３の触媒分散（１２）を乾燥し、それによって、前記薄膜（４）上に第２の触媒層（１３）を得る工程と、
前記基板（１）を前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）から除去する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
前記基板（１）は、多孔性である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板（１）の平均孔サイズは、３０ｎｍから３００ｎｍの範囲である、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板（１）は、多孔質セラミック基板およびその合成物、発泡ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、および、ポリプロピレンから成る集合から選択される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記基板（１）は表面処理されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記表面処理は、プラズマ処理またはシリコンコーティング処理である、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の触媒分散（２）を前記基板（１）にコーティングする工程は、ドクターブレード、スロットダイ、カーテンコーティング、または、ロータリーシーブプリントを使って実行される、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）は保存用に巻き取られる、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の触媒分散（２）内の前記第１の触媒および前記第２の触媒分散（７）内の第２の触媒の総量は、前記第１の触媒層（１１）内の全触媒負荷量に対応して選択される、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記薄膜の第１面側（４ａ）にコーティングされるべき面積あたりの前記第２の触媒分散（７）の溶剤の全最大量は４ｇ／ｍ２から２１ｇ／ｍ２であり、および／または、前記薄膜に対する前記第２の触媒分散（７）の溶剤の質量比は、０．１４ｇ／ｇから０．２１ｇ／ｇである、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記サポートフィルム（６）は、ポリエチレンテレフタレートおよびポリエチレンナフタレートからなる集合から選択される、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記薄膜（４）は第１面側にカバー層（５）を有し、当該方法は、前記薄膜の第１面側（４ａ）に前記第２の触媒分散（７）をコーティングする前に、前記カバー層（５）を除去する工程をさらに備える、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた薄膜（８）へラミネートするか、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜へラミネートする工程は、カレンダー加工する工程を含む、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板（１）を除去する前に、前記第２の触媒層（１３）の表面を担持フィルムで支持する工程をさらに備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
触媒がコーティングされた薄膜（１４）を製造する装置であって、
第１の処理ユニット（１００）であって、
基板（１）を送りかつ搬送するための基板送りユニット（１０１）と、
第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を得るべく、前記基板（１）の第１面側に第１の触媒分散（２）をコーティングするための第１触媒分散コーティングユニット（１０４）と、
を有するところの第１の処理ユニット（１００）と、
第２の処理ユニット（２００）であって、
薄膜送りユニット（２０１）と、
サポートフィルム（６）を送るためのサポートフィルム送りユニットと、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）に前記サポートフィルム（６）をラミネートするためのサポートフィルムラミネートユニットと、
第１面側に第２の触媒分散がコーティングされた薄膜（８）を得るべく、第２の触媒分散（７）を前記薄膜の第１面側（４ａ）にコーティングするための第２触媒分散コーティングユニット（２０４）とを有し、
前記第１の処理ユニット（１００）は、第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を得るべく前記第１の触媒分散（２）を乾燥するための乾燥ユニット（１０７）を有し、または、前記第２の処理ユニット（２００）は、第２の触媒が第１面側にコーティングされた薄膜を得るべく、前記薄膜（８）の第１面側にコーティングされた第２の触媒分散を乾燥するための乾燥ユニット（１０７）を有し、
前記第２の処理ユニット（２００）は、
前記第１の触媒および前記第２の触媒が重なり合うように、前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）を前記第２の触媒分散が第１面側にコーティングされた前記薄膜（８）へラミネートし、または、前記第１の触媒分散がコーティングされた基板（３ａ）を前記第２の触媒が第１面側にコーティングされた前記薄膜へラミネートし、それによって、前記薄膜上に第１の触媒層（１１）を含むラミネート（９）を形成するためのラミネートユニット（２０９）と、
前記ラミネート（９）を乾燥するための乾燥ユニット（２１０）と、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）から前記サポートフィルム（６）を除去するための第１除去ユニット（２１１）と、
をさらに有するところの第２の処理ユニット（２００）と、
第３の処理ユニット（３００）であって、
前記薄膜の第２面側（４ｂ）に第３の触媒分散（１２）をコーティングするための第３触媒分散コーティングユニット（３０６）と、
前記第３の触媒分散（１２）を乾燥するための乾燥ユニット（３０８）と、
前記第１の触媒がコーティングされた基板（３ｂ）から前記基板（１）を除去するための第２除去ユニット（３１３）と、
前記触媒がコーティングされた薄膜（１４）を保存するための保存ユニット（３１４）と、
を有するところの第３の処理ユニット（３００）と、
を備える装置。
【請求項１６】
前記第２の処理ユニット（２００）は、前記サポートフィルムラミネートユニットと前記第２の触媒分散コーティングユニット（２０４）との間に、前記薄膜の第１面側（４ａ）に設けられたカバー層（５）を除去するためのカバー層除去ユニットを有する、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１、第２および第３の処理ユニット（１００、２００、３００）の少なくともひとつは、少なくともひとつのクリーニングユニット（１０９、２１５、３１７）および／または少なくともひとつのインライン制御ユニット（１１０、２１４、３１５）を有する、ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記基板（１）を除去する前に、前記第２の触媒層（１３）の表面を支持する担持フィルム用の担持フィルム送りユニット（３０９）をさらに備える、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2018020307.tif 000009
【外国語明細書】
2018020307000001.pdf