(57)【要約】【課題】膜電極接合体を構成する基材２上へ触媒粉体１０を静電付着させて触媒層１０ａを形成する装置Ａにおいて、そこで用いるフィードローラ７のクリーニングを高効率で行えるようにする。【解決手段】前記フィードローラ７は空隙７１を有し、かつ多数の細孔７３を備えた散気管７２を備える。クリーニング時に、前記散気管７２に気体供給手段３０から窒素ガスのような気体を供給する。フィードローラ７の空隙７１に入り込んだ触媒粉体１０は、気体と共にフィードローラ７から排除される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を構成する基材上へ触媒粉体を静電付着させて触媒層を形成する装置であり、前記基材に対して非接触状態にスクリーンを保持する手段と、前記基材と前記スクリーン間に電圧を印加する手段と、触媒粉体を収容したホッパーと、前記ホッパーの出口側に取り付けたフィードローラとを備えており、前記フィードローラがホッパー内の触媒粉末を前記スクリーン上に供給し、供給された触媒粉体は静電気力により前記基材側に飛翔して前記基材に付着するようになっている装置において、
前記フィードローラは空隙を有するものでありかつ多数の細孔を備えた散気管を備えており、前記装置は前記散気管に気体を供給する気体供給手段をさらに備えることを特徴とする基材上への触媒層形成装置。
【請求項２】
前記フィードローラの周囲を覆うカバー体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基材上への触媒層形成装置。
【請求項３】
前記気体供給手段は前記散気管に不活性気体を供給することを特徴とする請求項１に記載の基材上への触媒層形成装置。
【請求項４】
前記散気管に水を供給する水供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基材上への触媒層形成装置。
【請求項５】
前記フィードローラは弾性を有しており、フィードローラの持つ弾性力により前記スクリーン上に供給された触媒粉体は前記基材に向けて押し出され、前記触媒粉体は静電気力とフィードローラからの前記押し出し力の双方により前記基材側に飛翔して前記基材に付着することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の基材上への触媒層形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体における基材（電解質膜またはガス拡散層）に触媒層を形成するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの両面に配置される触媒層およびガス拡散層からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ等を備える。触媒層は白金担持カーボンのような触媒（触媒担持導電体）を含み、基材である電解質膜あるいはガス拡散層に触媒層を形成するには、触媒と電解質の混合造粒粉体である触媒粉体を含む電極インクを、印刷、ローラコート、スプレーなどにより基材に塗布する湿式方法と、触媒粉体を静電気力や気体（キャリヤーガス）の流れを利用して基材に向けて飛翔させて直接付着させる乾式方法とが採用されている。
【０００３】
静電気力を利用した乾式方法により連続的に膜電極接合体を製造する方法として、特許文献１には、触媒粉体である白金担持カーボンを帯電させ、転写パターンをコントロールする制御ブレードを介してパターニングしながらローラ上に堆積させ、その後、電解質膜に転写、定着して膜電極接合体とする技術が記載されている。
【０００４】
静電気力を利用して膜電極接合体を製造する他の方法として、静電スクリーン方式を採用する方法が特許文献２や特許文献３に記載されている。特許文献３に記載の方法では、基材に対して非接触状態にスクリーンを配置し、基材とスクリーン間に電圧を印加しておき、弾性体であるフィードローラによりスクリーン上に触媒粉体を供給すると共に、フィードローラの持つ弾性力により触媒粉体に押し出し力を与え、静電気力と弾性体からの押し出し力の双方により、触媒粉体を基材側に飛翔させて付着させるようにしている。また、特許文献３にはそのための装置も記載されている。特許文献３に記載の方法では、静電気力と押し出し力の双方によって、スクリーンから基材へ触媒粉体が飛翔するので、低い印加電圧でもって所望の塗布パターンを基材上に形成することができる。また、輪郭が鮮明な塗布パターンを得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６７６１６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１２２１号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の静電スクリーン方式を採用して膜電極接合体を製造する方法においては、フィードローラに付着した触媒粉体がスクリーン側に移動する。しかし、フィードローラ側に触媒粉体の移動残りが生じるのを完全に回避するのは困難であり、多数回の塗布を繰り返すとフィードローラの内部に触媒粉体が入り込むようになる。入り込んだ触媒粉体はフィードローラの物性に変化をもたらし、塗布量に変化を生じたり、弾性のあるフィードローラを用いる場合には、充分な押し出し力が得られなくなる恐れがある。また、フィードローラの内部に入り込んだ触媒粉体は、高価な触媒粉体のロスとなる。さらに、触媒粉体は導電性であることから、フィードローラの内部に入り込んだ触媒粉体により、スクリーンとフィードローラの回転軸との導通を生じさせる恐れもある。
【０００７】
そのようなことから、フィードローラを適時にクリーニングして、内部に入り込んだ触媒粉体を除去することが必要となるが、従来の装置では、この点の配慮が特になされてなく、塗布作業を行っていないときに、手作業により振動等をフィードローラに与えてクリーニングを行っており、作業効率の点で改良すべき点があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体を構成する基材上へ触媒粉体を静電付着させて触媒層を形成する装置において、そこで用いるフィードローラのクリーニングを高効率で行えるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明は、膜電極接合体を構成する基材上へ触媒粉体を静電付着させて触媒層を形成する装置であり、前記基材に対して非接触状態にスクリーンを保持する手段と、前記基材と前記スクリーン間に電圧を印加する手段と、触媒粉体を収容したホッパーと、前記ホッパーの出口側に取り付けたフィードローラとを備えており、前記フィードローラがホッパー内の触媒粉末を前記スクリーン上に供給し、供給された触媒粉体は静電気力により前記基材側に飛翔して前記基材に付着するようになっている装置において、前記フィードローラは空隙を有するものでありかつ多数の細孔を備えた散気管を備えており、前記装置は前記散気管に気体を供給する気体供給手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明による基材上への触媒層形成装置では、前記フィードローラは多数の細孔を備えた散気管を備えており、その散気管に気体供給手段から気体を送給すると、散気管の細孔から噴出した気体は、フィードローラが有する連続した空隙を通過して、フィードローラ外に出て行く。その過程で、フィードローラの空隙内に入り込んでいる触媒粉体は気体と共にフィードローラ外に放出され、フィードローラはクリーニングされる。適時に気体供給手段から散気管に気体を送給する処理を行うことにより、常に最良の状態で、基材上へ触媒層を形成することが可能となる。
【００１１】
本発明において、前記散気管はフィードローラの回転軸を兼ねることが構成の簡素化から好ましいが、回転軸とは別に散気管を設けるようにしてもよい。また、散気管は、スクリーンとの間での電気的導通が生じないように絶縁体（例えば、樹脂製パイプ）であることが好ましい。もちろん、絶縁が取れることを条件に、金属パイプの表面へ樹脂コーティングを施したものでもよい。
【００１２】
本発明において、前記フィードローラは連続する空隙を有することを条件に適宜の材料で作ることができる。一例として、連続気泡を有する発泡ポリエチレンや発泡ポリウレタ等の発泡樹脂、さらにゴムに発泡剤を添加したものなどが挙げられる。
【００１３】
本発明において、前記基材は、従来の固体高分子型燃料電池で用いる膜電極接合体を製造するときに使用される任意のイオン交換膜からなる電解質膜あるいはガス拡散層であってよく、また、そこに塗布する触媒粉体は、白金担持カーボンのように触媒担持導電体と電解質との混合造粒粉体を適宜用いることができる。
【００１４】
本発明において、装置は、前記ホッパー内に収容した触媒粉体を、コロナ放電や摩擦などで帯電させる手段を備えてもよい。それにより、フィードローラへの触媒粉体の飛翔と付着をより確実にすることができる。
【００１５】
本発明による装置の一態様において、装置は、前記フィードローラの周囲を覆うカバー体をさらに備える。この態様では、クリーニング時にフィードローラから放出される触媒粉体を回収することができ、回収した触媒粉体を再利用することにより、膜電極接合体等の製造コストの低減がもたらされる。
【００１６】
本発明による装置の一態様において、装置は、前記気体供給手段が前記散気管に不活性気体を供給する。不活性気体としては窒素ガスが好ましい。不活性気体雰囲気で基材への塗布作業を行う装置環境において、フィードローラのクリーニング時に散気管に空気を供給すると、触媒粉体に吸着熱が発生し発火の恐れがある。不活性気体を供給することにより、この危険性を回避することができる。大気雰囲気で基材への塗布作業を行う装置環境においては、空気を供給しても差し支えない。
【００１７】
本発明による装置の一態様において、装置は、前記散気管に水を供給する水供給手段をさらに備える。気体供給によるクリーニング処理の後で、散気管から水を供給して、フィードローラの水洗浄を行うことにより、クリーニング程度をさらに向上させることができる。
【００１８】
本発明による装置の一態様において、前記フィードローラは弾性を有しており、フィードローラの持つ弾性力により前記スクリーン上に供給された触媒粉体は前記基材に向けて押し出され、前記触媒粉体は静電気力とフィードローラからの押し出し力の双方により前記基材側に飛翔して前記基材に付着することを特徴とする。この態様の装置では、膜電極接合体を構成する基材に対し、低い印加電圧でもって、厚みムラのないかつ輪郭のはっきりした所要パターンの触媒層を塗布形成することができる。そのために、製品精度が向上するばかりでなく、製造の安全性も向上し、触媒粉体の歩留まりもさらに向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、静電スクリーン方式を採用した基材上への触媒層形成装置において、触媒粉体をスクリーンに供給するフィードローラを効率よくクリーニングすることができる。それにより、常に最良の状態で、前記基材上へ触媒層を形成することが可能となる。また、好ましい態様では、使用されなかった触媒粉体を効果的に回収することができ、生産コストの低減効果もたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明による膜電極接合体を構成する基材上へ触媒粉体を静電付着させて触媒層を形成する装置の一実施の形成を示す概略図であり、図２は、装置で用いるフィードローラを説明する斜視図である。図３は本発明による装置の他の実施の形態を示す概略図である。なお、以下の説明では、基材としての電解質膜に触媒層を形成する場合について説明するが、ガス拡散層に触媒層を形成する場合は、基材として電解質膜に代えてガス拡散層を用いる。
【００２１】
装置Ａは、ロール状に巻かれた基材（電解質膜）２を保持する巻き出しロール１と、触媒粉体１０が付着しかつ定着した後の基材２を巻き取る巻き取りロール３を備える。図示しない駆動手段により巻き出しロール１と巻き取りロール３は同期した回転をし、基材２は一定の速度で巻き取りロール３に巻き取られる。
【００２２】
巻き出しロール１と巻き取りロール３との間には、移動する基材２を背面から支持するスクリーン対極の電極４が位置しており、前記スクリーン対極の電極４から所定距離（例えば、２〜５ｍｍ程度）離れた位置には、スクリーン対極の電極４と平行する姿勢で、メッシュ状のスクリーン５が適宜の保持手段により保持されている。図示しない駆動手段によりスクリーン５はその下を移動する基材２と同期した速度で所定距離だけ基材２と同方向に移動し、その後、原位置に復帰する。復帰の仕方は、例えば複数のスクリーンが回転するような方法で順次ローテーションするような態様が望ましい。スクリーン５には、基材２の上に触媒粉体１０を塗布（付着）しようとするパターン（すなわち、膜電極接合体での触媒層のパターン）と同じパターンの模様が例えば２００メッシュのような編み目体で形成されている。スクリーン５にはＳＵＳなどの導電性材料が用いられる。基材２の移動路であって、スクリーン５よりも下流側には、加熱ロールのような加熱圧着手段８が備えてあり、基材２に塗布された触媒粉体１０の定着を行う。
【００２３】
スクリーン５の上にはホッパー６が位置しており、該ホッパー６には、触媒と電解質の混合造粒粉体である触媒粉体１０が充填される。また、ホッパー６の出口部分には、図２に示すように、多数の空隙７１を有するフィードローラ７が、その回転軸心を基材２の移動方向に直交する姿勢で配置されている。この例において、フィードローラ７は連続気泡を持つ発泡ウレタンで作られており、適宜の駆動手段により回動する。
【００２４】
図２に示すように、フィードローラ７は、表面に多数の細孔７３を有する散気管７２を備える。散気管７２の一方端は開放端であり、気体供給手段３０からの不活性気体（例えば、窒素ガス）または空気が、該開放端から散気管７２内に供給される。散気管７２の他方端は閉鎖されており、管内に供給された気体は、細孔７３から噴出し、フィードローラ７内の空隙７１を通って、フィードローラ７の表面から外に出て行く。図示の例で、散気管７２はフィードローラ７の回転中心に位置しており、フィードローラ７の駆動回転軸を兼ねている。フィードローラ７の駆動回転軸を別途設け、該駆動回転軸を内挿するように、散気管７２を配置してもよい。
【００２５】
いずれの場合も、散気管７２は、装置Ａとは電気的に絶縁した状態におかれる。具体的には、散気管７２の全体を絶縁体で作るか、金属材料のような導電材料で作る場合には、表面を樹脂シート等の絶縁材料でコーティングする。
【００２６】
この例において、スクリーン５とフィードローラ７とは、スクリーン５の表面にフィードローラ７が圧接する状態で、すなわち、フィードローラ７がスクリーン５の表面に押し付けられることにより、スクリーン５の接する面は潰されるように変形して、メッシュ内に部分的に入り込んだ状態を取り得るようにされている。なお、非弾性体のフィードローラ７を用いることもでき、その場合には、スクリーン５の表面にフィードローラ７が単に接する状態に、両者は配置される。
【００２７】
装置Ａは電圧印加手段２０を備えており、スクリーン５に０〜１０ｋＶ程度の電圧をかけることにより、基材２とスクリーン５間に電界が印加される。図示しないが、ホッパー６に収容した触媒粉体１０に帯電させる手段として、コロナ放電手段や攪拌による摩擦帯電手段などが、必要に応じて配置される。
【００２８】
基材２である電解質膜に触媒層を形成するに際し、スクリーン５に電圧印加手段２０により所要に電圧をかけておく。ホッパー６に触媒粉体１０を充填し、必要に応じて帯電させる。巻き込みロール３を駆動して基材２を一定速度、例えば５ｍ／分の速度で矢印方向に移送する。それに同期して所望にパターンニングされたスクリーン５も同じ方向に移動させ、かつ、フィードローラ７にも回転を与える。
【００２９】
ホッパー６内の触媒粉体１０はフィードローラ７の表面に付着した状態でホッパー６から繰り出され、フィードローラ７がスクリーン５の表面に圧着すると同時に、触媒粉体１０はスクリーン５上に供給されかつ帯電した状態となる。さらにフィードローラ７が回転することにより、フィードローラ７の表面の一部はメッシュ状とされたスクリーン５内に入り込み、触媒粉体１０は弾性体であるフィードローラ７の表面で押し付けられるようになる。そして、印可された電圧による静電気力と前記フィードローラ７の押し出し力との双方により、触媒粉体１０は基材２側に飛翔し付着する。
【００３０】
付着した触媒粉体１０は、加熱圧着手段８を通過するときに基材２に定着されて安定し、触媒層１０ａを形成する。その状態で基材２は巻き取りロール３に巻き取られる。膜電極接合体の一枚分に対して触媒粉体１０の塗布（付着）が終了した時点で、スクリーン５は次回のローテーションに備えて原位置に復帰し、次の塗布に備える。図示しないが、複数個のスクリーンを回転させながら順次送り込むような態様であってもよい。
【００３１】
上記の塗布作業を繰り返すことにより、フィードローラ７の内部、すなわちフィードローラ７の空隙７１に触媒粉体１０が次第に入り込む。一定のインターバルで、あるいは必要となったときに、前記散気管７２に気体供給手段３０から気体を送り込む。送られてきた気体は、散気管７２の細孔７３から噴出し、フィードローラ７の空隙７１を通過して、フィードローラ７の外に出て行く。その過程で、フィードローラ７の空隙７１内に入り込んでいる触媒粉体１０は気体と共にフィードローラ外に放出される。それにより、フィードローラ７はクリーニングされる。クリーニング後は、散気管７２への気体の供給を停止し、塗布作業を継続する。このようにしてクリーニング処理を行うことにより、以降は、最良の状態で、基材２上へ触媒層１０ａを形成することが可能となる。
【００３２】
図１に示すように、装置Ａは、フィードローラ７の周囲を覆うカバー体３１をさらに備えるようにしてもよい。このようなのカバー体３１を取り付けることにより、クリーニング時にフィードローラ７から放出される触媒粉体１０を回収することができる。回収した触媒粉体１０を再利用することにより、膜電極接合体等の製造コストを低減することができる。カバー体３１は、装置Ａに対して着脱できるように設けることもできる。その場合には、クリーニングを行うときにのみ、フィードローラ７の全体を覆うようにして装着する。
【００３３】
さらに、図１に示すように、装置Ａは、散気管７２に水を供給する水供給手段３２を備えるようにしてもよい。その場合、図示しない切り替え手段により、散気管７２に、気体供給手段３０から気体を供給するか、水供給手段３２から水を供給するかを選択できるようにする。例えば、上記したように気体供給手段３０から散気管７２に気体を供給してクリーニングを行った後に、切り替え手段を操作して、散気管７２へ水供給手段３２から水を供給する。それにより、フィードローラ７は水洗浄をも受けることとなり、一層のクリーニング効果がえられる。
【００３４】
図３は基材上への触媒層形成装置の他の形態であり、基材２である電解質膜の両面に連続して触媒粉体１０を塗布することを可能としている。ここでは、図１に示す装置Ａでの巻き取りロール３に代えて送りロール３ａを使用し、そこを通過する一面に触媒粉体１０を触媒層１０ａとして定着した基材２を、さらに送りロール３ｂを通過させることにより反転させ、該反転した基材２の触媒層１０ａが形成されていない反対側の面に対して、図１に示した装置Ａと同じ装置Ａａを用いて、触媒粉体１０を塗布し定着して触媒層１０ｂとするようにしている。両面に所定のパターンで触媒粉体１０が触媒層１０ａ，１０ｂとして定着した基材２は、装置Ａａの巻き取りロール３により巻き取られる。
【００３５】
前記した装置Ａａにおいても、そのフィードローラ７には、図１および図２に基づき説明した散気管７２を備えたフィードローラ７が用いられ、必要に応じて、フィードローラ７のクリーニングが行われる。図示しないが、必要な場合には、前記した水供給手段３２も備えられる。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例により本発明を説明する。
［実施例１］
図１に示した装置を用いて塗布を行った。触媒粉体は、触媒と電解質の混合造粒粉体（電解質比率０．８）を用い、スクリーン−基材間距離３ｍｍ、電圧１．５ｋＶ（電界０．５ｋＶ／ｍｍ）の装置条件で、０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２となるように塗工・定着を実施した。フィードローラ７の材質は発泡ウレタン（密度３５ｋｇ／ｍ３）を使用し、フィードローラ７の中心部に散気管７２を取り付けた。散気管７２は、ＳＵＳ製パイプの表面にＰＴＦＥコーティングを施したものであり、散気管７２には直径３ｍｍの貫通孔を開孔密度３０％で形成した。
【００３７】
塗工・定着を１回連続して行った後、散気管７２に０．１Ｍｐａの窒素ガスを導入し、空隙７１に浸入した触媒粉体を除去した。なお、クリーニング時にフィードローラ７を５０ｒｐｍで回転させると共に、フィードローラ７の周囲をカバー体で覆い、触媒粉体の飛散防止と回収を行った。
【００３８】
従来の手作業（フィードローラ７全体に振動を与えて粉体を除去する）によるクリーニングでは平均２０分／本を要したのに対して、上記のクリーニングでは、平均３０秒／本であった。
【００３９】
［実施例２］
前記実施例１での窒素ガスによるフィードローラ７をクリーニングを行い、除去された触媒粉体を回収した後、水供給手段３２から水を供給して、フィードローラ７の水洗浄を行った。水洗浄時間は平均５分／本とした。水洗浄後のフィードローラ７を目視にて観察したところ、窒素ガスによるクリーニングでは除去しきれなかった触媒粉体がさらに除去されており、クリーニング度がアップしているのを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による基材上への触媒層形成装置の一実施の形成を示す概略図。
【図２】基材上への触媒層形成装置で用いるフィードローラを説明する斜視図。
【図３】本発明による基材上への触媒層形成装置の他の実施の形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ，Ａａ…基材へ触媒層を形成するための装置、１…巻き出しロール、２…基材（電解質膜またはガス拡散層）、３…巻き取りロール、４…スクリーン対極の電極、５…メッシュ状のスクリーン、６…ホッパー、７…フィードローラ、７１…多数の空隙、７２…散気管、７３…多数の細孔、８…加熱圧着手段、１０…触媒粉体、１０ａ，１０ｂ…触媒層、３０…気体供給手段、３１…カバー体、３２…水供給手段
【図１】
2009259476.tif 000003
【図２】
2009259476.tif 000004
【図３】
2009259476.tif 000005