(57)【要約】【課題】乾燥炉のみを利用して触媒インクを乾燥させる膜電極接合体製造装置に比べて製造装置のサイズを抑制する。【解決手段】膜電極接合体の製造方法は、導電性を有する長尺状の基材１００の表面に触媒インク５０を塗工する塗工工程と、触媒インク５０が塗工された基材１００を搬送する搬送工程と、を備える。搬送工程は、基材１００に電圧を印加して基材１００を昇温させる工程を含む。基材１００が昇温することによって、触媒インク５０が乾燥される。【選択図】図１
2019029186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の製造方法であって、
導電性を有する長尺状の基材の表面に触媒インクを塗工する塗工工程と、
前記触媒インクが塗工された前記基材を搬送する搬送工程と、
を備え、
前記搬送工程は、前記基材に電圧を印加して前記基材を昇温させる工程を含む、
膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体は、電解質膜の両側から２つの電極によって挟まれて構成される。膜電極接合体の製造においては、シート状の基材の表面に触媒インクを塗工し、触媒インクを乾燥させて触媒層を形成し、基材上に形成された触媒層を電解質膜上に転写することによって、膜電極接合体を形成する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２２８３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、基材に塗工された触媒インクは、乾燥炉により乾燥されている。加工コストを低減させるために、基材の搬送速度の向上が望まれている。しかしながら、本発明の発明者は、搬送速度を増加させると触媒インクが乾燥炉内で吸収する熱量が減少するため、元々設備スペースが嵩張る乾燥炉の長さを更に長く設ける必要があり、製造装置のサイズが増大してしまうという問題を見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、膜電極接合体の製造方法が提供される。この膜電極接合体の製造方法は、導電性を有する長尺状の基材の表面に触媒インクを塗工する塗工工程と、前記触媒インクが塗工された前記基材を搬送する搬送工程と、を備える。前記搬送工程は、前記基材に電圧を印加して前記基材を昇温させる工程を含む。
この形態の膜電極接合体の製造方法によれば、基材に電圧を印加することによって基材を昇温させるので、搬送工程において触媒インクを乾燥させることができ、従来の乾燥炉のみを利用して触媒インクを乾燥させる方法を採用する膜電極接合体製造装置に比べて製造装置のサイズを抑制できる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、膜電極接合体製造装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態における膜電極接合体製造装置の側面図。
【図２】給電ローラと押圧ローラの正面図。
【図３】給電ローラと押圧ローラの側面図。
【図４】押圧ローラと基材の上面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における膜電極接合体製造装置９００の側面図である。図２は、図１の破線で囲まれた領域ＩＩを膜電極接合体製造装置９００の正面から見た時の説明図である。膜電極接合体製造装置９００は、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を製造するための装置である。膜電極接合体製造装置９００は、巻出ローラ２１０と、巻取ローラ２２０と、給電ローラ２３１,２３２と、押圧ローラ２４１,２４２と、塗工機３００と、乾燥炉４００と、を備える。
【００１０】
巻出ローラ２１０と巻取ローラ２２０は、モータ（図示せず）によって駆動され、図示矢印の方向に回転する。巻出ローラ２１０には、予め長尺状の基材１００が巻き付けられている。膜電極接合体の製造を行う前には、基材１００の一端が、巻出ローラ２１０から繰り出され、乾燥炉４００を介して巻取ローラ２２０に固定されている。膜電極接合体の製造時には、触媒インク５０が塗工された基材１００が、巻出ローラ２１０と巻取ローラ２２０によって搬送される。基材１００の搬送区間ＴＳは、巻出ローラ２１０と塗工機３００と巻取ローラ２２０とを含まない区間である。
【００１１】
図２を参照して基材１００の構成について説明する。図示の便宜上、基材１００は断面図で表している。基材１００は、導電性を有する。図２の例では、基材１００は、１つの中間層１２０を２つの外層１１０で挟まれた構成を有する。基材１００の中間層１２０は、導電性を有するＣＮＴ（カーボンナノチューブ）によって形成されることが好ましい。外層１１０は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）によって形成されることが好ましい。これらの理由については後述する。
【００１２】
図１に戻り、塗工機３００は、巻出ローラ２１０の近傍に設置されている。塗工機３００は、基材１００の表面に対向するダイヘッド３１０と、塗工液を収容する塗工液タンク３２０とを有する。塗工機３００は、巻出ローラ２１０から繰り出された基材１００の表面に触媒インク５０を塗工する。触媒インク５０は、触媒を担持した導電性粒子を電解質樹脂と共にバインダーに分散させて一定の粘度に調整されている。触媒としては、例えば、白金や白金合金が採用される。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラックが採用される。電解質樹脂としては、例えば、フッ素系樹脂が採用される。
【００１３】
給電ローラ２３１,２３２及び押圧ローラ２４１,２４２は、モータによって駆動されない、すなわち、回転自在なフリーローラである。給電ローラ２３１,２３２は、搬送区間ＴＳ内に設置されており、乾燥炉４００の両側にそれぞれ設置されている。給電ローラ２３１,２３２は、基材１００と接触している。押圧ローラ２４１,２４２はそれぞれ、基材１００を挟んで給電ローラ２３１,２３２の反対側に設置されている。押圧ローラ２４１は給電ローラ２３１と対向しており、押圧ローラ２４２は給電ローラ２３２と対向している。
【００１４】
図２を参照して給電ローラ２３１と押圧ローラ２４１の構成について説明する。図２の例では、給電ローラ２３１の長手方向の両端にはそれぞれ、輪状の電極２３５，２３６が設けられている。電極２３５，２３６はそれぞれ、導電性のブラシ２５５,２５６を介して直流の電源２５１と電気的に接続されている。一方、電極２３５，２３６はそれぞれ、基材１００の中間層１２０の端部Ｅ１,Ｅ２と接触し、基材１００に電圧を印加して基材１００を昇温させる。押圧ローラ２４１は、第１押圧ローラ２４１ａと第２押圧ローラ２４１ｂとを有する。押圧ローラ２４１ａ,２４１ｂはそれぞれ、基材１００の中間層１２０の端部Ｅ１,Ｅ２を電極２３５，２３６に押し付けて、中間層１２０と電極２３５，２３６との接触を確保する。給電ローラ２３２、電源２５２及び押圧ローラ２４２（図１）についても同様である。なお、給電ローラ２３１,２３２は、１つのみ設置してもよいし、３つ以上設置してもよい。搬送区間ＴＳ内の基材１００の温度分布を予め定めた状態とするために、二つ以上の給電ローラを予め定めた電圧に設定して予め定めた位置に設けることが好ましい。基材１００が搬送区間ＴＳにおいて給電ローラ２３１,２３２の電圧印加により昇温されるので、基材１００に塗工された触媒インク５０は、搬送区間ＴＳにおいて基材１００の昇温によって乾燥される。
【００１５】
図１に戻り、乾燥炉４００は、搬送区間ＴＳ内に設置されている。乾燥炉４００の内部には、加熱機４１０が設けられている。乾燥炉４００は、乾燥炉４００を通過する基材１００に塗工された触媒インク５０を加熱することによって、触媒インク５０を乾燥させる。こうすれば、基材１００の昇温による触媒インク５０の乾燥を補助することができ、触媒インク５０の乾燥速度を速めることができる。なお、乾燥炉４００は省略されてもよい。
【００１６】
膜電極接合体製造装置９００には、更に、温度センサ５１０と、放射温度計５２０,５３０とが設けられている。温度センサ５１０は、乾燥炉４００内に設置されており、乾燥炉４００内の温度を測定する。温度センサ５１０によって測定された温度値は、乾燥炉４００内の温度を予め定めた値となるように制御するために利用される。放射温度計５２０,５３０は、搬送区間ＴＳ内の基材１００の温度を測定する。
【００１７】
膜電極接合体の製造を開始すると、巻出ローラ２１０と巻取ローラ２２０は、図示矢印の方向に回転し、基材１００は、白抜きの矢印Ａ１の方向に搬送される。塗工機３００は、間欠的に触媒インク５０を吐出し、触媒インク５０を基材１００の表面に塗工する。給電ローラ２３１,２３２は、基材１００に電圧を印加して基材１００を昇温させる。基材１００の昇温により、基材１００に塗工された触媒インク５０が乾燥される。乾燥炉４００は、基材１００の移動に伴って乾燥炉４００の内部に搬送された触媒インク５０を加熱し、触媒インク５０の乾燥を補助する。この膜電極接合体製造装置９００によれば、乾燥炉４００を設けなくても、搬送区間ＴＳにおいて触媒インク５０を乾燥させることができ、膜電極接合体製造装置９００のサイズを抑制できる。
【００１８】
図３は、図２に示す第２押圧ローラ２４１ｂと触媒インク５０と基材１００と給電ローラ２３１とを、第２押圧ローラ２４１ｂの外側から見た図である。図示の便宜上、基材１００を断面図で表している。給電ローラ２３１及び第２押圧ローラ２４１ｂは、基材１００の中間層１２０と接触している。ここで、中間層１２０にＣＮＴを採用すれば、中間層１２０に電圧を印加すると中間層１２０が発熱し、その熱量が外層１１０に伝導することによって基材１００を加熱することができる。また、基材１００の外層１１０にＰＴＦＥを採用すれば、外層１１０に十分な耐熱性を与えることができる。一方、外層１１０にＰＴＦＥを採用すれば、触媒インク５０が乾燥して触媒層を形成した後に触媒層を容易に外層１１０から剥離することができる。なお、中間層１２０にＣＮＴを採用し、外層１１０にＰＴＦＥを採用した基材１００は、例えば、８．５Ｖの電圧を印加すると１００℃まで上昇し、１１．２Ｖの電圧を印加すると１６０℃まで上昇する。また、基材１００は、触媒インク５０側の外層１１０と中間層１２０の２つの層によって構成されてもよいし、中間層１２０のみによって構成されてもよい。なお、基材１００は、２つの外層１１０を貼り替えて重複に使用可能である。
【００１９】
図４は、図２に示す押圧ローラ２４１ａ，２４１ｂと触媒インク５０と基材１００を上面から見た時の説明図である。図示の便宜上、触媒インク５０及び基材１００の外層１１０と中間層１２０をハッチングしている。基材１００の中間層１２０の短手方向における２つの端部Ｅ１,Ｅ２は、外層１１０よりも外側に露出している。押圧ローラ２４１ａ,２４１ｂはそれぞれ、中間層１２０の端部Ｅ１,Ｅ２と接触している。
【００２０】
以上説明したように、本発明の一実施形態では、基材１００に電圧を印加することによって基材１００を昇温させるので、搬送区間ＴＳにおいて触媒インク５０を乾燥させることができ、膜電極接合体製造装置９００のサイズを抑制できる。
【００２１】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２２】
５０…触媒インク
１００…基材
１１０…外層
１２０…中間層
２１０…巻出ローラ
２２０…巻取ローラ
２３１，２３２…給電ローラ
２３５，２３６…電極
２４１，２４２…押圧ローラ
２４１ａ…第１押圧ローラ
２４１ｂ…第２押圧ローラ
２５１，２５２…電源
２５５，２５６…ブラシ
３００…塗工機
３１０…ダイヘッド
３２０…塗工液タンク
４００…乾燥炉
４１０…加熱機
５１０…温度センサ
５２０，５３０…放射温度計
９００…膜電極接合体製造装置
Ｅ１，Ｅ２…端部
ＴＳ…搬送区間
【図１】
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【図２】
2019029186.tif 000004
【図３】
2019029186.tif 000005
【図４】
2019029186.tif 000006