专利名称：在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在燃料电池、特别是固体聚合物燃料电池中使用的膜电极组件的基底(电解质膜或气体扩散层)上形成催化剂层的方法和装置。
背景技术：
固体聚合物燃料电池包括膜电极组件(MEA)以及层叠在MEA上的分隔体等，其中MEA包括电解质膜(包括离子交换膜)和布置在电解质膜的两侧上的催化剂层和气体扩散层。催化剂层可以首先形成在电解质膜上或首先形成在气体扩散层上。在前者的情况下，在形成在充当基底的电解质膜上的催化剂层上，通过加热和加压来层叠气体扩散层，从而获得MEA。在后者情况下，以使得已经形成在气体扩散层上的催化剂层面向电解质膜的两侧的方式层叠气体扩散层，从而获得MEA。
催化剂层包含诸如铂承载碳之类的电极粉(催化剂承载导体)。如上所述，通过使得电极粉布置在充当基底的电解质膜或气体扩散层上的方法来形成催化剂层。传统地已经实现的这种方法的示例是所谓湿法应用(wet application)，其中通过丝网印刷、刮刀技术(blade technique)、辊涂覆、喷涂等将电极墨施加到基底。最近开始采用的方法是干法，其利用静电力或气体(运载气体)的气流将电极粉朝向充当基底的电解质膜或气体扩散层散布而使该粉直接粘附。
日本专利公开(Kokai)No.2003-163011A公开了一种通过利用静电力的干法连续地制造MEA的方法。在这种方法中，将电极粉以预定的图案施加至鼓状物以充电，使用静电力来将电极粉传输到连续供应的电极膜以用于通过加热和加压来固着。日本专利公开(Kokai)No.2002-367616A公开了一种技术，其中充当电极粉的铂承载碳被充电，使得碳累积在辊上同时经由控制所传输图案的控制刀而被图案化以用于将碳传输并固着在电解质膜上，从而获得MEA。
本发明人对上述通过干法制造MEA具有相当多的经验。在这样的制造处理中，当所传输的图案变为较复杂的形状时，本发明人发现了产品制造精度上的劣化。这是因为在利用传输到充当基底的电解质膜或气体扩散层的电极粉形成的催化剂层上发生图案的厚度波动或轮廓塌陷。通过增大所施加的电压可以在一定程度上解决这些问题。但是，不能允许电场达到3kV/mm或更高，因为在该水平将发生电介质击穿。此外，较大电流流入电极粉中可以引起着火。
在日本专利公开(Kokai)No.2002-367616A所描述的方法中，布置多个环电极以围绕形成在控制刀板上的孔，且只经由施加了正电势的孔而不经由施加了负电势的孔进行专门的电极粉散布，使得可以指定电极粉应粘附电解质膜的哪个部分。因此，所期望的是形成具有基本均匀厚度的催化剂层。虽然，形成具有这样复杂结构的控制刀板是可能的，但因为这样的刀板将提高装置的成本并需要复杂的维护，所以是不实际的。
基于以上情况进行了本发明。本发明的目的是提供用于形成贵重催化剂层的方法和装置，其中在使用传统用筛网状丝网经由静电力传输到基底的这样的催化剂层上厚度的波动和轮廓的塌陷被显著地减少，因此可以获得具有较高产品制造精度的MEA。
发明内容
为解决以上问题，本发明人已经进行了关于利用静电力使用干法的MEA制造方法的许多实验。结果，本发明人发现，关于主要单独通过静电力发生的电极粉散布，在电极粉从电极粉已经粘附到其的辊移动到基底(此后术语“基底”在本发明中表示电解质膜和气体扩散层两者)时，充电量不足，因此产生诸如厚度的波动和轮廓的塌陷之类的问题。当使用弹性体将朝向基底的挤压力施加到丝网上的充电电极粉时，在所传输的图案上观察到厚度上的高度均匀性，且未发生其轮廓的塌陷。
本发明是基于由本发明人获得的以上发现。基本上，本发明涉及用于通过使电极粉经由静电力粘附到构成MEA的基底来形成催化剂层的方法。该方法至少包括这样的步骤将丝网以为不与基底接触的状态布置；将电压施加在所述丝网与所述基底之间以对供应到所述丝网的所述电极粉充电；由弹性体按压所述电极粉；和经由静电力和所述弹性体的挤压力两者来朝向所述基底散布所述电极粉以粘附到所述基底。通过干法以所期望的形状施加的电极粉通过加热和按压被固着在基底上使得可以获得具有所期望图案的催化剂层的基底。
根据本发明的方法，经由静电力和挤压力两者实现电极粉从丝网到基底的散布，使得即使以较低的施加电压也可以获得所期望的涂层图案。优选地，在基底与丝网之间的电压是约0kV到10kV，且其间的距离是约1mm到20mm。更优选地，在3kV/mm的空气中电介质击穿电场的条件下，该电压和距离分别被适当地指定为在1kV与5kV之间和在1mm与10mm之间。
如以下示例所指出的，当采用本发明的方法时，涂层厚度的波动基本消失了，通过减少基底与丝网之间的距离其图案的轮廓被界定，且提高了电极粉利用率。此外对于如这样使用的传统用筛网状丝网，其也是有利的。
在本发明的其他具体实施例中实现的处理是使用充当所述弹性体的由弹性材料制成的送料辊将电极粉朝向基底散布使得其粘附到基底的处理。该处理包括将电极粉供应到送料辊的步骤和允许电极粉已经粘附到其的送料辊在压靠丝网的同时滚动的步骤。在此实施例中，仅通过允许送料辊在丝网上滚动就可以实现所期望的涂层，使得制造处理变得简单。在本发明的另一个优选实施例中，允许电极粉通过电晕放电、摩擦等充电，使得电极粉以确定的方式粘附到送料辊。
在本发明中，还公开了一种用于在基底上形成催化剂层的装置，其可以优选地实现以上制造方法。本发明的装置是一种用于通过允许电极粉经由静电力粘附到构成MEA的基底来形成催化剂层的装置。该装置至少包括将丝网保持在不与所述基底接触的状态的装置；将电压施加在所述丝网与所述基底之间的装置；将所述电极粉供应到所述丝网的装置；和将所供应的所述电极粉朝向所述基底按压的装置。该装置的特征在于经由静电力和弹性体的挤压力两者来朝向所述基底散布所述电极粉以粘附到所述基底。
优选地，以上装置包括容纳电极粉的给料器和安装在所述给料器的出口侧上的送料辊。允许所述送料辊在通过按压与所述丝网接触的情况下滚动。所述送料辊构成将所述电极粉供应到所述丝网的装置和将供应在所述丝网上的电极粉朝向所述基底按压的装置。容纳在给料器中的电极粉和送料辊可以已知布置为互相接触。而且，它们可以布置为互相非接触状态使得容纳在给料器中的电极粉掉落到送料辊上。优选地，该装置包括通过其由电晕放电、摩擦(confliction)等对容纳在所述给料器中的所述电极粉充电的装置，使得允许电极粉以更确定的方式粘附到送料辊。此外，在其中电极粉掉落到送料辊上的实施例中，由于掉落的充电电极粉的聚团，可以产生涂层厚度的波动。因此，不必须将电极粉充电。
在本发明中，充当可使用基底的电解质膜或气体扩散层是包括任意离子交换树脂的电解质膜或在传统固体聚合物燃料电池中使用的MEA的制造时使用的气体扩散层。可以以合适方式使用的、施加到其的电极粉是诸如铂承载碳之类的催化剂承载导体。此外，可以使用的弹性体(具体地，构成送料辊的弹性体)的示例包括聚乙烯、聚氨酯、添加了发泡剂的聚乙烯或聚氨酯、添加了发泡剂的橡胶。
根据本发明，当在构成MEA的基底上形成催化剂层时，可以通过以较低的施加电压涂覆而形成具有界定轮廓且没有厚度波动的所需图案的催化剂层。因此，在提高产品制造精度的同时，也提高了在制造时的安全性和电极粉利用率。
图1示出了表示本发明的装置的一个实施例的示意图，其可以优选地实现用于在构成MEA的基底上形成催化剂层的方法。图2示出了表示根据本发明的装置的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式
此后将参考涉及在充当基底的电解质膜上催化剂层的形成时的实施例的附图来解释本发明。在气体扩散层上催化剂层的形成时，除了使用气体扩散层取代电解质膜来充当基底之外，可以以基本类似的方式形成催化剂层。图1示出了表示装置的一个实施例的示意图，其可以优选地执行本发明的制造方法。图2示出了装置的另一个实施例的示意图。
装置A包括保持被卷绕的基底(电解质膜)2的退卷辊1和将电极粉10已经粘附并固着到其的基底2缠绕的上卷辊3。驱动件(未示出)使得退卷辊1和上卷辊3同步旋转使得由上卷辊3以恒定速度缠绕基底2。
靠垫材料4布置在退卷辊1与上卷辊3之间以在运转中从后部支撑基底2。与靠垫材料4具有一定距离(例如，约10mm)的筛网状丝网5以与靠垫材料4平行的姿态由合适的夹持件夹持。由驱动件(未示出)使丝网5以与其下方运转中的基底2相同的方向和同步的速度移动一定的距离。由此，丝网5返回初试位置。与用于以电极粉10涂覆(粉的粘附)基底2的图案相同的图案(即，MEA催化剂层的图案)利用使用筛网(例如200目(mesh))而形成在丝网5上。诸如SUS之类的导电材料或由诸如尼龙之类的树脂制成的绝缘材料用于丝网5。在基底2运转的路径上，于丝网5的下游处，安装了诸如加热辊之类的热压结合件8，用于已经施加到基底2的电极粉10的固着。
在丝网5上方，定位了给料器6。给料器6填充有电极粉10。此外，在给料器6的出口侧上，由弹性体制成的送料辊7布置为其旋转轴心与基底2运转的方向垂直的姿态。在此示例中，送料辊7的材料是聚乙烯；但是其可以由已经添加了发泡剂的聚氨酯或橡胶制成。此外，驱动装置(未示出)使得送料辊7旋转。
对于丝网5和送料辊7，使得送料辊7通过按压与丝网5的表面进行接触。就是说，送料辊被压靠丝网5的表面使得丝网5的与送料辊7接触的该面受挤压和变形。因此，允许送料辊7部分地进入丝网5的筛网。
此外，装置A包括电压施加装置20，其将0kV至10kV的电压施加到丝网5上使得在基底2与丝网5之间施加电场。如果必要，布置使用电晕放电、搅动等用于摩擦生电的装置(未示出)以充当对容纳在给料器6中的电极粉10充电的装置。
此外，在附图所示的装置A中，给料器6和送料辊7互相靠近布置，且在给料器6中的电极材料10总是与送料辊7接触。但同时，给料器6和送料辊7可以彼此分离布置使得由送料辊7接收从给料器6掉落的电极材料10。注意，当电极粉10在这种情况下被充电时，由于掉落的电极粉的聚团可以产生涂层厚度的波动。因此，优选地，在一些情况下不允许该粉被充电。
在充当基底2的电解质膜上催化剂层的形成时，通过电压施加装置20将所需电压施加在丝网5上。给料器6填充有电极粉10，且如果必要，使得该粉被充电。驱动上卷辊3以一定的速度(诸如5m/min)在箭头的方向上移动基底2。同时，已经经过所期望的图案化的丝网5在相同方向上移动。此外，使送料辊7旋转。
在给料器6中的电极粉10在粘附到送料辊7的表面的同时从给料器6排出。当通过按压，送料辊7与丝网5的表面进行接触时，电极粉10被供应在丝网5上并被充电。此外，随着送料辊7旋转，其表面进入筛网状丝网5。这样，电极粉10被作为弹性体的送料辊7的表面按压。因此，除了由于所施加的电压导致的静电力之外，朝向基底2的挤压力被施加到电极粉10。
在送料辊7的旋转期间，电极粉10可以从给料器6掉落到丝网5上。而且在这样的情况下，当该粉由于丝网5的移动而经过送料辊7下方时，已经掉落的电极粉10被送料辊7按压。因此，除了由于所施加的电压导致的静电力之外，朝向基底2的挤压力被施加到电极粉10。
电极粉10被散布以经由静电力和弹性体的挤压力两者粘附到基底2。这样粘附的电极粉10通过当该粉经过热压接合装置8时固着在基底2上而被稳固化，使得形成催化剂层10a。当用电极粉10涂覆(粉的粘附)单片MEA结束时，丝网5返回到初始位置用于后继的涂覆。此外，在附图的示例中，单片丝网5来回移动以反复地使用；但是，也可以以旋转方式使用多个丝网。对于连续生产，这样的实施例是优选的。
如上所述，根据本发明，经由静电力和挤压力两者实现电极粉10到基底(电解质膜)2的散布和粘附，使得即使以足够安全和低的电压也可以实现稳固的散布和粘附。因此，待形成的膜的厚度较恒定，且其图案的轮廓被界定。由此提高了产品制造精度。此外，由于该粉通过较强的力被朝向基体散布，所以可以减少由于额外散布被浪费的电极粉的量，使得提高电极粉10的利用率。
在以上的装置A中，电极粉10仅施加在基底2的一侧上以形成催化剂层。但同时，图2所示的装置实现将电极粉10连续施加到充当基底2的电解质膜的两侧上。这里，使用送料辊3a代替图1所示的装置A中的上卷辊3。其上已经固着了电极粉10以形成催化剂层10a、并已经经过送料辊3a的基底2，在经过送料辊3b时被翻转。对于被翻转的基底2的其上未形成催化剂层10a的另一侧，使用与图1所示的装置A相同的装置Aa将电极粉10施加并固着在其上。因此，形成催化剂层10b。其两侧都以某种图案固着了电极粉10以形成催化剂层10a和10b的基底2被装置Aa的上卷辊3卷绕。
示例此后将参考以下示例和比较例解释本发明。
使用图1所示的装置进行涂覆。使用包括50wt％铂承载碳的电极粉(50wt％Pt/C∶电解质树脂＝2∶1)。铂涂层的期望量被确定为0.5mg/cm2。装置条件如下在丝网与基底之间施加的电压3kV；在丝网与基底之间的距离10mm；丝网目数200目；基底送给速度5m/min。所使用的丝网由不锈钢制成。通过按压，允许送料辊与丝网进行接触(以重量计的通过送料辊施加到丝网的总压力以重量计100g到以重量计1kg)。
如示例1的情况，使用由硬质的非弹性体制成的送料辊来进行涂覆测试。
相对于在示例和比较例中获得的、形成在电解质膜上的催化剂层，判断涂层厚度的波动以及在涂层的期望量与涂层的实际量之间的差。结果在表1中示出。在送料辊由硬质体制成的情况下，由于对电极粉缺少挤压力，需要通过增加送料辊的转数来增加所供应的粉的量以确保涂层的量。与示例1的情况相比，在以上情况下的材料利用率下降。此外，残留在丝网筛网上的粉产生了筛网堵塞。
表1
如表1所示，在示例中获得了具有均匀厚度的涂层膜，因此可以证明本发明的优势。
权利要求
1.一种用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的方法，由此，通过使电极粉经由静电力粘附到构成所述膜电极组件的所述基底来形成所述催化剂层，所述方法至少包括这样的步骤将丝网布置为与基底非接触的状态；将电压施加在所述丝网与所述基底之间以对供应到所述丝网的所述电极粉充电；由弹性体按压所述电极粉；且经由所述静电力和所述弹性体的挤压力两者使所述电极粉飞向所述基底并粘附到所述基底。
2.如权利要求1所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的方法，包括使用由弹性材料制成的充当所述弹性体的送料辊使所述电极粉飞向所述基底并粘附到所述基底的处理，所述处理包括将所述电极粉供应到所述送料辊的步骤和使得所述电极粉已经粘附到其的所述送料辊在压靠所述丝网的同时滚动的步骤。
3.如权利要求2所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的方法，包括使得所述电极粉粘附到所述送料辊的步骤，其包括对所述电极粉充电的步骤。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的方法，其中所述基底是电解质膜或气体扩散层。
5.一种用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的装置，其中通过允许电极粉经由静电力粘附到构成所述膜电极组件的所述基底来形成所述催化剂层，所述装置至少包括将丝网保持在不与所述基底接触的状态的装置；将电压施加在所述丝网与所述基底之间的装置；将所述电极粉供应到所述丝网的装置；和将所供应的所述电极粉朝向所述基底按压的装置，其中经由所述静电力和所述弹性体的挤压力两者使所述电极粉飞向所述基底并粘附到所述基底。
6.如权利要求5所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的装置，包括容纳所述电极粉的给料器和安装在所述给料器的出口侧上的送料辊，其中使得所述送料辊在通过按压与所述丝网接触的情况下滚动，且其中所述送料辊构成将所述电极粉供应到所述丝网的装置和将供应在所述丝网上的电极粉朝向所述基底按压的装置。
7.如权利要求6所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的装置，包括通过其对容纳在所述给料器中的所述电极粉充电的装置。
8.如权利要求5至7中任一项所述的用于在构成膜电极组件的基底上形成催化剂层的装置，其中所述基底是电解质膜或气体扩散层。
全文摘要
本发明公开了一种用于通过将电极粉(10)电沉积在充当基底(2)的电解质膜上以形成催化剂层的装置(A)。丝网(5)被保持为不与基底(2)接触的状态，且在其间施加电压。使电极粉(10)粘附到弹性送料辊(7)，且送料辊(7)在与丝网(5)压接触的状态下滚动。由于静电力和弹性体的挤压力，电极粉(10)散布至基底(2)并稳固地粘附。当使用传统用筛网状丝网时，经由静电力传输并形成在基底(电解质膜)上的催化剂层的厚度波动和轮廓的塌陷可以被显著地减少，从而以较高的产品制造精度获得了膜电极组件。
文档编号B05D1/28GK1905954SQ20058000196
公开日2007年1月31日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年2月19日
发明者角谷聪, 川原龙也, 村手政志, 加治敬史 申请人:丰田自动车株式会社