(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布するための塗布ヘッドと、
凝集体を超音波振動によって解砕する超音波解砕手段と、を有し、
前記塗布ヘッドは、
前記電極触媒インクが供給される供給口、
前記供給口から導入される前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げるマニホールド部、
前記マニホールド部の内部に配置され、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および／又は捕集する凝集体除去手段、および、
前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記フィルム基材に向かって吐出する吐出口を有し、
前記超音波解砕手段は、
前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段、および、
前記マニホールド部に前記超音波振動を付与する超音波振動付与手段を有し、
前記圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、前記凝集体は、前記超音波振動付与手段によって解砕される
ことを特徴とする電極触媒層の製造装置。
【請求項２】
前記凝集体除去手段は、前記電極触媒インクが通過する開口部を有する分散器からなり、前記開口部は、前記電極触媒インクにせん断力を付与することを特徴とする請求項１に記載の電極触媒層の製造装置。
【請求項３】
前記開口部は、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を捕集するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電極触媒層の製造装置。
【請求項４】
前記塗布ヘッドの内部温度を一定に調節する温度調節手段を、さらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極触媒層の製造装置。
【請求項５】
電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布する塗布工程を有し、
前記塗布工程において、
前記電極触媒インクを塗布ヘッドの供給口に供給し、
前記供給口から導入される前記電極触媒インクを前記塗布ヘッドのマニホールド部に導入し、
前記マニホールド部において、前記マニホールド部の内部に配置される凝集体除去手段によって前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および／又は捕集し、かつ、前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げ、
前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記塗布ヘッドの吐出口から、前記フィルム基材に向かって吐出しており、かつ、
前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段を作動させて前記マニホールド部に超音波振動を付与し、前記マニホールド部の内部に堆積している凝集体を解砕させる
ことを特徴とする電極触媒層の製造方法。
【請求項６】
前記電極触媒インクが通過する開口部を有する分散器からなる前記凝集体除去手段の前記開口部によって、前記電極触媒インクにせん断力を付与して、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕することを特徴とする請求項５に記載の電極触媒層の製造方法。
【請求項７】
前記開口部によって、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を捕集することを特徴とする請求項６に記載の電極触媒層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒層の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）に含まれる電極触媒層は、電極触媒および高分子電解質膜から構成されており、例えば、転写シートに電極触媒インクを塗布して乾燥させることで形成された電極触媒層を、高分子電解質膜へ転写することで製造される。
【０００３】
電極触媒インクに含まれる固形分粒子は、比較的短時間で経時変化により凝集体を形成するため、凝集体を含んだ電極触媒インクが転写シートに塗布されることになり、製造された電極触媒層に凝集体が残留（点在）する虞があった。凝集体は、ガス透過性が低いため、触媒が有効に利用されないだけでなく、生成した水分が排出されない等の問題を引き起こすため、電極触媒インクの塗布前に、凝集体を除去している（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、凝集体の除去は、メッシュフィルターを使用したろ過工程や、機械的解砕機を用いた物理的な解砕工程を追加することによって実施しており、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する（再凝集する）虞があり、凝集体の除去が十分ではなかった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一様相は、電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布するための塗布ヘッドと、凝集体を超音波振動によって解砕する超音波解砕手段と、を有する電極触媒層の製造装置である。前記塗布ヘッドは、供給口、マニホールド部、凝集体除去手段および吐出口を有する。前記供給口には、前記電極触媒インクが供給される。前記マニホールド部は、前記供給口から導入される前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げる。前記凝集体除去手段は、前記マニホールド部の内部に配置され、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および／又は捕集する。前記吐出口は、前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記フィルム基材に向かって吐出する。前記超音波解砕手段は、圧力検出手段および超音波振動付与手段を有する。前記圧力検出手段は、前記塗布ヘッドの内部圧力を検出し、前記超音波振動付与手段は、前記マニホールド部に前記超音波振動を付与する。そして、前記圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、前記凝集体は、前記超音波振動付与手段によって解砕される。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布する塗布工程を有する電極触媒層の製造方法である。前記塗布工程においては、前記電極触媒インクを塗布ヘッドの供給口に供給し、前記供給口から導入される前記電極触媒インクを前記塗布ヘッドのマニホールド部に導入し、前記マニホールド部において、前記マニホールド部の内部に配置される凝集体除去手段によって前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および／又は捕集し、かつ、前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げ、前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記塗布ヘッドの吐出口から、前記フィルム基材に向かって吐出する。また、前記塗布工程においては、前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段を作動させて前記マニホールド部に超音波振動を付与し、前記マニホールド部の内部に堆積している凝集体を解砕させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る製造装置および製造方法においては、電極触媒インクに含まれる凝集体は、凝集体除去手段によって除去される。凝集体除去手段は、塗布ヘッドのマニホールド部の内部に配置されており、凝集体を除去された直後の電極触媒インクが塗布されるため、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する（再凝集する）虞はない。したがって、フィルム基材に塗布された電極触媒インクを乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置および製造方法を提供することが可能である。また、特に、塗布ヘッドを分解洗浄して凝集体を除去することが要求されず、塗布ヘッドの再組み付けに伴う調節時間が不要であり、材料ロスも生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る電極触媒層を有する燃料電池を説明するための断面図である。
【図２】実施の形態１に係る電極触媒層の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示される塗布工程に適用される電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【図４】図３に示される塗布ヘッドを説明するための平面図である。
【図５】図３に示される凝集体除去手段を説明するための斜視図である。
【図６】図４に示される外周面を説明するための拡大図である。
【図７】実施の形態１に係る変形例１を説明するための拡大図である。
【図８】実施の形態１に係る変形例２を説明するための拡大図である。
【図９】実施の形態１に係る変形例３を説明するための断面図である。
【図１０】実施の形態１に係る変形例４を説明するための断面図である。
【図１１】実施の形態２に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【図１２】実施の形態３に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【図１３】実施の形態４に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【図１４】図１３に示される電極触媒層製造装置における間欠塗布を説明するための平面図である。
【図１５】間欠塗布における塗布動作および超音波振動付与動作を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、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。
【００１２】
図１は、実施の形態１に係る電極触媒層を有する燃料電池を説明するための断面図である。
【００１３】
実施の形態１に係る燃料電池は、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）からなり、図１に示される単セル１０の積層体を有する。単セル１０は、膜電極接合体２０およびセパレータ８０，８５を有する。
【００１４】
膜電極接合体２０は、高分子電解質膜３０、電極触媒層５０，５５およびガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）７０，７５を有する。
【００１５】
電極触媒層５０は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード電極であり、高分子電解質膜３０の一方の側に配置される。電極触媒層５５は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード電極であり、高分子電解質膜３０の他方の側に配置される。
【００１６】
高分子電解質膜３０は、電極触媒層５０で生成したプロトンを電極触媒層５５へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。
【００１７】
ガス拡散層７０は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ８０と電極触媒層５０との間に位置している。ガス拡散層７５は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ８５と電極触媒層５５との間に位置している。
【００１８】
セパレータ８０，８５は、単セル１０を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体２０と略同一形状でありステンレス鋼鈑から製造される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて耐食性のコーティングを施すことも可能である。
【００１９】
セパレータ８０は、膜電極接合体２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、電極触媒層５０に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ８０との間に位置するガス流路８４を構成するリブ部８２と、水素通過用、酸素通過用および冷却水通過用にそれぞれ設けられるマニホールド穴（不図示）とを有する。ガス流路８４は、燃料ガスを電極触媒層５０に供給するために利用される。
【００２０】
セパレータ８５は、膜電極接合体２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、電極触媒層５５に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ８５との間に位置するガス流路８９を構成するリブ部８７と、水素通過用、酸素通過用および冷却水通過用にそれぞれ設けられるマニホールド穴（不図示）とを有する。ガス流路８９は、酸化剤ガスを電極触媒層５５に供給するために利用される。
【００２１】
次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。
【００２２】
高分子電解質膜３０は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標）（デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標）（旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標）（旭硝子株式会社製）等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。
【００２３】
高分子電解質膜３０の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。
【００２４】
電極触媒層５０に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されない。電極触媒層５５に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されない。
【００２５】
具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード電極およびアノード電極に適用される触媒成分は、同一である必要はなく適宜変更することが可能である。
【００２６】
電極触媒層５０，５５に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
【００２７】
電極触媒層５０，５５に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。電極触媒層５０，５５に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３０に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３０に対する電極触媒層５０，５５の密着性を向上させる観点から同一であることが好ましい。
【００２８】
ガス拡散層７０，７５は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から３０〜５００μｍが好ましい。
【００２９】
ガス拡散層７０，７５は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
【００３０】
セパレータ８０，８５は、ステンレス鋼から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウムやクラッド材）を適用することも可能である。
【００３１】
次に、実施の形態１に係る電極触媒層の製造方法を説明する。
【００３２】
図２は、実施の形態１に係る電極触媒層の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００３３】
実施の形態１に係る電極触媒層の製造方法は、図２に示されるように、電極触媒インク調製工程、塗布工程、乾燥工程および転写工程を有する。
【００３４】
電極触媒インク調製工程においては、電極構成部材、溶媒および分散剤が混合されて、電極触媒インクが調製される。
【００３５】
電極構成部材は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質である。なお、カソード電極（電極触媒層５０）の製造に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有すものであり、アノード電極（電極触媒層５５）の製造に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものある。
【００３６】
溶媒は、例えば、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールなどのアルコールが溶解されている水である。分散剤は、例えば、界面活性剤、耐熱安定剤、耐候安定剤、滑剤、アンチブロッキング剤、スリップ剤、無機充填剤である。
【００３７】
塗布工程においては、調製された電極触媒インクが、転写シートからなるフィルム基材に塗布される。この際、後述するように、塗布直前に電極触媒インクから凝集体が除去される。転写シートは、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シート、ポリエステルシートである。
【００３８】
乾燥工程においては、電極触媒インクの塗布層が乾燥されて、電極触媒層が形成される。これにより、電極触媒インクの塗布層に含まれる電極構成部材に応じて、カソード電極（電極触媒層５０）あるいはアノード電極（電極触媒層５５）が製造される。
【００３９】
転写工程においては、電極触媒層がフィルム基材から剥離されて、高分子電解質膜へ転写される。これにより、燃料電池の膜電極接合体が製造される。
【００４０】
電極触媒インクの塗布層は、凝集体が除去されているため、電極触媒インクの塗布層を乾燥して形成される電極触媒層も、凝集体を有していない。つまり、電極触媒層は、凝集体が十分に除去されているため、ガス透過性が低いため触媒が有効に利用されない部分が生じず、生成した水分が排出されない等の問題を引き起こすこともない。
【００４１】
電極触媒インクは、高分子電解質膜に塗布されないため、電極触媒インクに含まれる溶媒による高分子電解質膜に対する悪影響が抑制される。なお、必要に応じて、電極触媒インクを高分子電解質膜に塗布することも可能である。この場合、転写工程が不要となるため生産性が向上し、転写不良による歩留まりの低下や、捨て材としての転写シートの発生を避けることが可能である。
【００４２】
次に、塗布工程に係る電極触媒層製造装置を説明する。
【００４３】
図３は、図２に示される塗布工程に適用される電極触媒層製造装置を説明するための概略図、図４は、図３に示される塗布ヘッドを説明するための平面図である。
【００４４】
塗布工程に係る電極触媒層製造装置は、図３に示されるように、電極触媒インク４０の塗布装置１００である。塗布装置１００は、タンク１１０、バックロール１２０、塗布ヘッド１３０、配管系１６０，１７０および制御部１８０を有する。
【００４５】
タンク１１０は、調製された電極触媒インク４０を保持するために使用される容器であり、シャフト１１２および電動機１１４を有する。シャフト１１２は、先端に撹拌翼が配置されている。電動機１１４は、シャフト１１２を回転し、撹拌翼によって電極触媒インク４０をかき混ぜるために設けられている。
【００４６】
バックロール１２０は、フィルム基材９０の内側に配置され、回転駆動されることによって、フィルム基材９０を搬送するように構成されている。なお、符号Ｌは、塗布方向を示している。
【００４７】
塗布ヘッド１３０は、電極触媒インク４０をフィルム基材９０に塗布して、電極触媒インク４０の塗布層４２を形成するために設けられており、供給口１３２、マニホールド部１３４、凝集体除去手段１４０および吐出口１３６を有する。
【００４８】
供給口１３２は、配管系１６０と連通しており、電極触媒インク４０が供給される。マニホールド部１３４は、円柱状であり、供給口１３２および吐出口１３６と連通しており、図４に示されるように、供給口１３２から導入される電極触媒インク４０を塗布幅方向Ｗに拡げるために設けられている。凝集体除去手段１４０は、マニホールド部１３４の内部形状に対応する形状を有し（円柱状であり）、マニホールド部１３４の内部に固定式に配置されている。吐出口１３６は、マニホールド部１３４および凝集体除去手段１４０を通過した電極触媒インク４０を、フィルム基材９０に向かって吐出する。
【００４９】
マニホールド部１３４は、円柱状に限定されず、例えば、半円柱状や、ハンガー形状のものを適用することが可能である。また、凝集体除去手段１４０は、円柱状に限定されない。
【００５０】
配管系１６０は、タンク１１０と塗布ヘッド１３０の供給口１３２とを連結しており、配管途中に、ポンプ１６２およびバルブ手段１６４が設けられている。
【００５１】
ポンプ１６２は、電極触媒インク４０を塗布ヘッド１３０の供給口１３２へ圧送するために使用される。ポンプ１６２は、例えば、スネークポンプ、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、チューブポンプである。バルブ手段１６４は、ポンプ１６２と塗布ヘッド１３０の供給口１３２との間の配管途中に配置されており、塗布ヘッド１３０に対する電極触媒インク４０の供給量を調整するために使用される。
【００５２】
配管系１７０は、電極触媒インク４０を循環させるためのバイパス配管であり、ポンプ１６２とバルブ手段１６４との間に連結された一端、およびタンク１１０に連結された他端を有し、また、バルブ手段１７２が設けられている。バルブ手段１７２は、間欠塗布における塗布（吐出）を開始する際および塗布（吐出）を中止する際における塗布厚みを制御したり、塗布層４２（および非塗布領域）の長さを調整したりするために使用される。
【００５３】
制御部１８０は、例えば、プログラムにしたがって各部の制御や各種の演算処理を実行するマイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有しており、例えば、タンク１１０の電動機１１４、ポンプ１６２およびバルブ手段１６４，１７２を制御するために使用される。つまり、塗布装置１００の各機能は、それに対応するプログラムを制御部１８０が実行することにより発揮される。
【００５４】
次に、凝集体除去手段１４０を詳述する。
【００５５】
図５は、図３に示される凝集体除去手段を説明するための斜視図、図６は、図４に示される外周面を説明するための拡大図である。
【００５６】
凝集体除去手段１４０は、図５に示されるように、電極触媒インクに含まれる凝集体４１を解砕するために設けられている。凝集体除去手段１４０は、塗布ヘッドにおける吐出口に連通しているマニホールド部の内部に配置されているため、凝集体４１を除去された直後の電極触媒インクが、フィルム基材に塗布される。
【００５７】
そのため、凝集体４１の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体４１が新たに生成する（再凝集する）虞はない。したがって、フィルム基材に形成された電極触媒インクの塗布層を乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置を提供することが可能である。また、凝集体除去手段１４０は、塗布ヘッドに組み込まれるため、その他の設備に対する影響が抑制される。
【００５８】
具体的には、凝集体除去手段１４０は、静的混合式の分散器からなり、図６に示されるように、メッシュからなる開口部１４３が形成された外周面１４２を有する。開口部１４３は、通過する電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体４１を容易に解砕することが可能である。
【００５９】
電極触媒インクは、高いチキソトロピー性を有するため、せん断力を付与することによって、粘度が大幅に低下し流動性が増加する。そのため、電極触媒インクの塗布時のレベリング性が向上し、塗布層の平滑度が増加する効果も有する。
【００６０】
開口部１４３は、電極触媒インクに含まれる凝集体４１を捕集するように構成することも可能である。この場合も、凝集体４１を容易に除去できる。例えば、開口部１４３は、１０μｍ以上の凝集体を捕集効率９０％以上で捕集できること好ましく、５μｍ以上の凝集体を９９％以上で捕集できることがより好ましい。
【００６１】
次に、塗布装置１００が適用される塗布工程を説明する。
【００６２】
まず、タンク１１０に保持されている電極触媒インク４０をかき混ぜるために、電動機１１４が起動され、撹拌翼が先端に配置されているシャフト１１２が回転駆動される。
【００６３】
電極触媒インク４０を循環させるため、配管系１６０に配置されるバルブ手段１６４が「閉」に設定された後、バイパス配管である配管系１７０に配置されるバルブ手段１７２が「開」に設定され、配管系１６０に配置されるポンプ１６２が起動される。これにより、ポンプ１６２によってタンク１１０から圧送された電極触媒インク４０は、配管系１６０に導入され、バイパス配管である配管系１７０を経由して、タンク１１０に戻される。
【００６４】
一方、バックロール１２０が回転駆動され、バックロール１２０の外側に配置されているフィルム基材９０が搬送される。
【００６５】
次に、配管系１６０に配置されるバルブ手段１６４が「開」に設定され、かつ、バルブ手段１６４の弁開度が調整される。また、同時に、バルブ手段１７２も弁開度が調整される。これにより、適量の電極触媒インク４０が塗布ヘッド１３０の供給口１３２に供給される（図３参照）。
【００６６】
供給口１３２から導入される電極触媒インクは、マニホールド部１３４に導入される。
【００６７】
マニホールド部１３４においては、電極触媒インク４０が塗布幅方向Ｗに拡げられる際（図４参照）、凝集体除去手段１４０の外周面１４２の開口部１４３は、通過する電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体４１を容易に解砕する。
【００６８】
マニホールド部１３４および凝集体除去手段１４０を通過した電極触媒インク４０は、吐出口１３６から、フィルム基材９０に向かって吐出され、電極触媒インク４０の塗布層４２が形成される。
【００６９】
本塗布工程においては、上記のように、電極触媒インク４０に含まれる凝集体４１は、電極触媒インク４０の吐出口１３６に連通するマニホールド部１３４の内部に配置される凝集体除去手段１４０によって除去されるため、凝集体４１を除去された直後の電極触媒インク４０が、吐出口１３６から塗布されることになる。
【００７０】
そのため、凝集体４１の除去後から電極触媒インク４０の塗布までの間において凝集体４１が新たに生成する（再凝集する）虞はない。したがって、フィルム基材９０に形成された電極触媒インク４０の塗布層４２を乾燥することにより、凝集体４１が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造方法を提供することが可能である。
【００７１】
なお、電極触媒インク４０に含まれる凝集体４１を捕集するように、開口部１４３を構成している場合、電極触媒インク４０に含まれる凝集体４１を容易に捕集することも可能である。
【００７２】
次に、実施の形態１に係る変形例１〜５を順次説明する。
【００７３】
図７は、実施の形態１に係る変形例１を説明するための拡大図である。
【００７４】
凝集体除去手段１４０の外周面１４２は、メッシュからなる開口部１４３を有する形態に限定されない。例えば、図７に示されるように、穴開け加工によって形成された開口部１４３Ａを有することも可能である。
【００７５】
図８は、実施の形態１に係る変形例２を説明するための拡大図である。
【００７６】
開口部の形状は、矩形状（図６）や円形状（図７）に限定されず、例えば、図８に示される開口部１４３Ｂのように、細長いスリット状とすることも可能である。
【００７７】
図９は、実施の形態１に係る変形例３を説明するための断面図である。
【００７８】
凝集体除去手段１４０は、静的混合式の分散器から構成される形態に限定されず、動的混合式を適用することも可能である。
【００７９】
例えば、図９に示される凝集体除去手段１４０Ａは、回転シャフト１４４、電動機１４６および粉砕メディア１４８を有する。回転シャフト１４４は、幅が狭い円柱状の回転子１４５が固定されている。電動機１４６は、回転シャフト１４４を駆動するために使用される。粉砕メディア１４８は、凝集体除去手段１４０Ａの内部に充填されている。粉砕メディア１４８の充填量は、体積比１０〜９０％、より好ましくは５０〜９０％である。
【００８０】
粉砕メディア１４８は、回転子１４５（回転シャフト１４４）の回転に従って回転運動するため、外周面１４２を通過して内部に導入された電極触媒インク４０にせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体４１を動的に解砕することが可能である。
【００８１】
粉砕メディア１４８は、例えば、アルミナ、ジルコニア，窒化けい素である。粉砕メディア１４８のサイズは、φ０．０３ｍｍ〜６０ｍｍが好ましく、φ０．１ｍｍ〜５ｍｍがより好ましい。また、回転子１４５の駆動は、電動機１４６を利用する形態に限定されず、例えば、圧縮空気を利用することも可能である。
【００８２】
図１０は、実施の形態１に係る変形例４を説明するための断面図である。
【００８３】
回転シャフト１４４に固定される回転子１４５は、円柱状の形態に限定されず、例えば、図１０に示されるように、ピンを立てた形状とすることも可能である。また、回転子１４５は、回転シャフト１４４と一体化したり、ガイドピンやイモネジ等を利用して回転シャフト１４４に固定したりすることも可能である。
【００８４】
以上のように、実施の形態１に係る製造装置および製造方法おいては、電極触媒インクに含まれる凝集体は、凝集体除去手段によって除去される。凝集体除去手段は、塗布ヘッドのマニホールド部の内部に配置されており、凝集体を除去された直後の電極触媒インクが塗布されるため、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する（再凝集する）虞はない。したがって、フィルム基材に塗布された電極触媒インクを乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造することが可能である。
【００８５】
凝集体除去手段を、電極触媒インクが通過する開口部を有する分散器によって構成する場合、前記開口部によって電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体を容易に解砕することが可能である。
【００８６】
凝集体の除去は、電極触媒インクに含まれる凝集体を捕集するように、分散器の開口部を構成することによっても、達成することが可能である。
【００８７】
次に、実施の形態２を説明する。なお、以下において、実施形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００８８】
図１１は、実施の形態２に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【００８９】
実施の形態２に係る電極触媒層製造装置である塗布装置１００Ａは、制御部１８０によって制御される温度調節手段を有する点で、実施の形態１に係る塗布装置１００と概して異なる。
【００９０】
実施の形態２に係る温度調節手段は、図１１に示されるように、制御部１８０に接続された温度検出器１５０および温度調節部１５２を有する。温度検出器１５０は、例えば、測温抵抗体を有しており、塗布ヘッド１３０の内部温度を検出可能に構成されている。温度検出器１５０の検出データは、制御部１８０に送信される。温度調節部１５２は、例えば、ペルチェ素子を有しており、塗布ヘッド１３０から熱を吸収して温度を低下させ、また、熱を発生させて温度を上昇させるように構成されている。制御部１８０は、温度検出器１５０からの検出データに基づき温度調節部１５２をフィードバック制御することにより、塗布ヘッド１３０の内部温度を一定に調節する機能を有する。
【００９１】
例えば、凝集体除去手段１４０によって電極触媒インク４０にせん断力を付与して、電極触媒インク４０に含まれる凝集体を解砕しながら、電極触媒インク４０の塗布を長時間続ける場合、塗布ヘッド１３０の温度が上昇する。これにより、電極触媒インク４０の物性が経時的に変化することで、均一な塗布層（電極触媒層）を形成することが困難となる。そのため、塗布ヘッド１３０の内部温度を一定に調節している。
【００９２】
以上のように、実施の形態２においては、塗布ヘッドの内部温度を一定に調節することにより、塗布ヘッド（吐出口）から吐出される電極触媒インクの物性（温度）が、安定するため、長時間にわたって安定的に電極触媒インクを塗布すること、つまり、長時間にわたって均一な塗布層（電極触媒層）を形成することが可能である。
【００９３】
温度検出器１５０は、測温抵抗体を利用する形態に限定されない。温度調節部１５２は、ペルチェ素子の代わりにジャケットを配置し、冷媒を循環させることで、温度調節することも可能である。
【００９４】
次に、実施の形態３を説明する。
【００９５】
図１２は、実施の形態３に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。
【００９６】
実施の形態３に係る電極触媒層製造装置である塗布装置１００Ｂは、制御部１８０によって制御される超音波解砕手段を有する点で、実施の形態１に係る塗布装置１００と概して異なる。
【００９７】
実施の形態３に係る超音波解砕手段は、マニホールド部１３４の内部に堆積している凝集体を超音波振動によって解砕するために使用され、図１１に示されるように、制御部１８０に接続された圧力検出手段１５４および超音波振動付与手段１５６を有する。圧力検出手段１５４は、塗布ヘッド１３０の内部圧力を検出する圧力ゲージを有する。超音波振動付与手段１５６は、例えば、ピエゾ素子を利用する超音波振動子を有し、マニホールド部１３４に超音波振動を付与するため、塗布ヘッド１３０に取り付けられている。
【００９８】
例えば、凝集体除去手段１４０の内部に凝集体が堆積すると、凝集体除去手段１４０が配置されているマニホールド部１３４の内部圧力が上昇し、マニホールド部１３４に連通する吐出口１３６からの電極触媒インク４０の吐出量が不安定になる。そのため、制御部１８０は、塗布工程において、圧力検出手段１５４によって検出された塗布ヘッド１３０の内部圧力の上昇に基づき、マニホールド部１３４の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段１５６を作動させて、凝集体を解砕させる。したがって、凝集体が堆積しないため、塗布ヘッドを分解洗浄してない場合であっても、電極触媒インク４０を安定的に吐出することが可能である。
【００９９】
以上のように、実施の形態３においては、塗布ヘッドを分解洗浄して凝集体を除去することが要求されず、塗布ヘッドの再組み付けに伴う調節時間が不要であり、材料ロスも生じない。なお、圧力の上昇値に応じて、超音波振動の強度（振幅）を制御することが好ましい。
【０１００】
次に、実施の形態４を説明する。
【０１０１】
図１３は、実施の形態４に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図、図１４は、図１３に示される電極触媒層製造装置における間欠塗布を説明するための平面図、図１５は、間欠塗布における塗布動作および超音波振動付与動作を説明するためのタイミングチャートである。
【０１０２】
実施の形態４に係る電極触媒層製造装置である塗布装置１００Ｃは、超音波振動付与手段の制御タイミングに関し、実施の形態３に係る塗布装置１００Ｂと概して異なる。
【０１０３】
実施の形態４に係る超音波解砕手段は、図１３に示されるように、制御部１８０に接続された超音波振動付与手段１５６を有するが、実施の形態３と異なり、圧力検出手段１５４を有しない。制御部１８０は、図１４に示されるよう、電極触媒インク４０の吐出を制御し、図１４に示されるように、電極触媒インク４０の塗布層４２と非塗布領域９２とを交互に形成するように構成されており、塗布制御手段としての機能を有する。
【０１０４】
塗布装置１００Ｃは、塗布工程において、図１５に示されるように、電極触媒インク４０の吐出を制御して間欠塗布する際、電極触媒インク４０の吐出が停止している間に、超音波振動付与手段１５６を作動させて塗布ヘッド１３０（マニホールド部１３４）に超音波振動を付与し、マニホールド部１３４の内部に堆積している凝集体を解砕させる。この場合、超音波振動は、電極触媒インク４０の吐出が停止している間に実施されるため、電極触媒インク４０の吐出（塗布）に対する干渉を避けることが可能である。
【０１０５】
なお、電極触媒インクの吐出を停止させる際、電極触媒インク４０の切れを向上させ、電極触媒インクの塗布層４２と非塗布領域９２（図１４参照）との境界を明確にするため、サックバックを実行し、吐出している電極触媒インク４０を瞬間的に塗布ヘッド１３０の内部に戻している。
【０１０６】
サックバックは、電極触媒インク４０を瞬間的に少し吸引するため、塗布ヘッド１３０の内部を短期間負圧にしている。具体的には、塗布ヘッド１３０への電極触媒インク４０の供給を制御するバルブ手段１６４を「閉」に設定する直前に、電極触媒インク４０の循環を制御するバルブ手段１７２を「開」に設定することにより、実施される。サックバックは、上記態様に限定されず、例えば、タンク１１０と塗布ヘッド１３０との間の配管系１６０に配置されるポンプ１６２を反転させたり、負圧源に連結されたサックバック専用のバルブ手段を設けたりすることによって実施することも可能である。
【０１０７】
以上のように、実施の形態４においては、超音波振動は、電極触媒インクの吐出が停止している間に実施されるため、実施の形態３の場合と比較し、電極触媒インクの吐出（塗布）に対する干渉を避けることが可能である。
【０１０８】
電極触媒インク４０の吐出が停止している間において、超音波振動の強度（振幅）を変化させて、勾配を付けることも可能である。例えば、電極触媒インクの吐出を停止させた直後において最大の強度（振幅）を付与し、電極触媒インクの吐出再開に向けて、強度（振幅）が小さくなるように設定することも可能である。この場合、電極触媒インクの吐出再開時における超音波余韻が防止される。
【０１０９】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、実施の形態１の変形例１〜４を実施の形態２〜４に適用したり、実施の形態２と実施の形態３，４とを組み合わせたりすることも可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０  燃料電池単セル、
２０  膜電極接合体、
３０  高分子電解質膜、
４０  電極触媒インク、
４１  凝集体、
４２  塗布層、
５０，５５  電極触媒層（電極）、
６０  ガス拡散層基材、
７０，７５  ガス拡散層、
８０，８５  セパレータ、
８２，８７  リブ部、
８４，８９  ガス流路、
９０  フィルム基材、
９２  非塗布領域、
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  塗布装置、
１１０  タンク
１１２  シャフト、
１１４  電動機、
１２０  バックロール、
１３０  塗布ヘッド、
１３２  供給口、
１３４  マニホールド部、
１３６  吐出口、
１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ  凝集体除去手段、
１４２  外周面、
１４３，１４３Ａ，１４３Ｂ  開口部、
１４４  回転シャフト、
１４５  回転子、
１４６  電動機、
１４８  粉砕メディア、
１５０  温度検出器、
１５２  温度調節部、
１５４  圧力検出手段、
１５６  超音波振動付与手段、
１６０  配管系、
１６２  ポンプ、
１６４  バルブ手段、
１７０  配管系、
１７２  バルブ手段、
Ｌ  塗布方向、
Ｗ  塗布幅方向。
【図１】
0006350030.tif 000002
【図２】
0006350030.tif 000003
【図３】
0006350030.tif 000004
【図４】
0006350030.tif 000005
【図５】
0006350030.tif 000006
【図６】
0006350030.tif 000007
【図７】
0006350030.tif 000008
【図８】
0006350030.tif 000009
【図９】
0006350030.tif 000010
【図１０】
0006350030.tif 000011
【図１１】
0006350030.tif 000012
【図１２】
0006350030.tif 000013
【図１３】
0006350030.tif 000014
【図１４】
0006350030.tif 000015
【図１５】
0006350030.tif 000016