燃料電池用電極の製造装置
【課題】発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さな電極を容易に製造可能にする燃料電池用電極の製造装置を提供する。
【解決手段】製造装置は、貯留タンク３と、第１ノズル５と、Ｎ2ガスが充填されたボンベ７と、第１電気ヒータ９と、作業テーブル１１と、制御装置１３とを備えている。第１電気ヒータ９は加圧ガス加熱手段である。また、この製造装置は、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９を供給手段として有している。貯留タンク３には、触媒層を構成するペースト３０が貯留されている。制御装置１３は、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び第１電気ヒータ９を制御することで、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径、ペースト３０の噴霧量及び第１ノズル５に供給されるＮ2ガスの温度を調整する。
【解決手段】製造装置は、貯留タンク３と、第１ノズル５と、Ｎ2ガスが充填されたボンベ７と、第１電気ヒータ９と、作業テーブル１１と、制御装置１３とを備えている。第１電気ヒータ９は加圧ガス加熱手段である。また、この製造装置は、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９を供給手段として有している。貯留タンク３には、触媒層を構成するペースト３０が貯留されている。制御装置１３は、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び第１電気ヒータ９を制御することで、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径、ペースト３０の噴霧量及び第１ノズル５に供給されるＮ2ガスの温度を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のカソード極やアノード極といった電極は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の導電性及びガス透過性のある基材と、この基材の一面に形成された触媒層とを有している。これらカソード極やアノード極の各触媒層が電解質層の一面及び他面にそれぞれ接合されることにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。
【０００３】
触媒層は、触媒と高分子電解質と溶媒とを含むペーストが基材の一面側に塗布されることにより形成される。触媒は、カーボンブラック等の導電性のある担体に白金（Ｐｔ）等の触媒金属微粒子を担持させてなる。また、同文献に示されるように、ペーストは、触媒と高分子電解質とを含有する触媒ペーストと、保水材と高分子電解質とを含有する保水材ペーストとを混合することによって得られる場合もある。上記の基材に対し、これらのペーストの塗布や噴霧等を行うことで触媒層を形成し、その基材上の触媒層が乾燥することで電極が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような電極については、より優れた発電性能を発揮することが求められる。また、大量に電極を製造するに当たっては、個体毎における発電性能のバラツキは可及的に小さく抑えることが求められる。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池用電極の製造装置は、触媒層を構成するペーストを貯留する貯留タンクと、
該貯留タンクと接続され、加圧ガスによって該ペーストを基材に対して噴霧可能な２流体ノズルと、
該２流体ノズルに該ペースト及び該加圧ガスをそれぞれ圧力調整して供給可能な供給手段と、
該２流体ノズルから該ペーストとともに噴射される該加圧ガスを加熱可能な加圧ガス加熱手段と、
前記供給手段及び前記加圧ガス加熱手段の少なくとも一方を制御して前記２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能な制御手段とを備えていることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の発明者は、より高い発電性能を発揮し得る電極を発明するにあたり、触媒層中のペーストの性状に着目した。触媒層中のペーストの性状とは、例えば、噴霧中のペーストの粒子径や、これによって構成される触媒層における細孔構造の他、基材上に形成された被覆状態等を指す。例えば、触媒層に細孔構造が好適に形成されれば、電極は、電気化学反応時にガスや水の透過性が向上し、結果として発電性能が高くなると考えられるからである。
【０００９】
本発明の製造装置によれば、制御手段が２流体ノズルに供給されるペースト及び加圧ガスの各圧力の調整を行うことで、噴霧されるペーストの粒子径の調整が可能となる他、ペーストの噴霧量の調整も可能である。また、この製造装置では、２流体ノズルに供給される加圧ガスの温度を調整することで、噴霧されるペーストの温度調整も可能である。そして、粒子径や噴霧量の調整が行われたペーストによれば、触媒層における細孔構造が好適に形成され、触媒層が好適な状態となる。また、ペーストとともに噴霧される加圧ガスの温度を変化させることで、基材上の触媒層の乾燥条件を好適な状態とし、触媒層が好適な状態となる。この際、この製造装置では、噴霧されるペースト自体の温度も触媒層の乾燥条件に適合する。
【００１０】
さらに、この製造装置によれば、制御手段がペーストの性状を安定して調整可能であることから、電極を大量に生産した場合であっても、個体毎のバラツキが生じ難い。
【００１１】
したがって、本発明の製造装置によれば、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００１２】
２流体ノズルは基材に対して走査可能に構成されても良い。ペーストは、特性が異なる複数のペーストを混合することによって得られたものでも良い。また、基材を加熱する手段を設けても良い。
【００１３】
２流体ノズルが複数ある場合、制御手段は、各２流体ノズルから噴霧されるペーストの性状を調整可能であることが好ましい（請求項２）。この場合には、複数の２流体ノズルからそれぞれ噴霧されるペーストの粒子径や噴霧量の他、加圧ガスの温度を変更することで、面内又は厚み内で異なる特性を有する触媒層、すなわち傾斜構造を有する触媒層を製造することが可能である。
【００１４】
本発明の製造装置は、２流体ノズルから噴霧されたペーストの粒子径を測定可能な粒子径測定手段を備え得る。そして、制御手段は粒子径測定手段が測定した粒子径に基づいて制御を行うことが好ましい（請求項３）。この場合には、実際に２流体ノズルから噴霧されるペーストの粒子径に基づいて、加圧ガスの温度調整等が可能となる。このため、この製造装置では、より発電性能が高い電極を得ることが可能となる。
【００１５】
制御手段は、加圧ガスの温度を５５〜７５°Ｃに調整することが好ましい。発明者の実験により、加圧ガスの温度をこれらの温度範囲に調整した状態で触媒層を形成することで、発電性能の高い電極を得ることができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１の製造装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例１の製造装置に係り、ペーストの噴霧状態等を示す拡大断面図である。
【図３】実験例１に係り、Ｎ2ガスの温度とＭＥＡにおける抵抗値の変化との関係を示すグラフである。
【図４】実験例２に係り、Ｎ2ガスの温度とＭＥＡにおける電圧の変化との関係を示すグラフである。
【図５】実験例３に係り、電流の変化と電圧の変化との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２の製造装置を示す模式構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施例１、２及び実験例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
（実施例１）
実施例１の製造装置は、図１に示すように、貯留タンク３と、第１ノズル５と、ボンベ７と、第１電気ヒータ９と、作業テーブル１１と、制御装置１３とを備えている。なお、第１ノズル５は２流体ノズルである。
【００１９】
貯留タンク３にはペースト３０が貯留されている。このペースト３０は、図２に示すように、触媒９０と高分子電解質９１とを含有している。触媒９０は、カーボンブラックからなる担体９２に対し、Ｐｔからなる触媒金属微粒子９３が担持密度５０ｗｔ％で担持されて得られている。この触媒ペースト３０は、５０ｇの触媒９０に対し、水５００ｇと、５重量％の高分子電解質９１の水溶液５００ｇと、エタノール５００とを加え、自転／公転式遠心攪拌機（キーエンス社製、商品名「ハイブリッドミキサーＨＭ−５００」）により撹拌及び脱泡を行うことによって得られている。この触媒ペースト３０では、触媒９０の周囲に高分子電解質９１による層が形成されている。
【００２０】
第１ノズル５は、図１に示すように、流入口５ａ、５ｂを有している。流入口５ａには配管１５の一端側が接続されている。配管１５の他端側は貯留タンク３と接続されている。配管１５には、第１電動ポンプＰ１と第１ペースト圧力センサ１９とが設けられている。第１電動ポンプＰ１及び第１ペースト圧力センサ１９は、それぞれ回路２１、２３を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ペースト圧力センサ１９は、配管１５内を流通するペースト３０の圧力を検知し、制御装置１３に向けて第１ペースト圧力検知信号を送信可能になっている。
【００２１】
また、第１ノズル５には、公知のモータ２５ａ等で構成される第１ノズル走査手段２５が設けられている。モータ２５ａは、回路２７を介して制御装置１３と電気的に接続されている。
【００２２】
ボンベ７には、高圧のＮ2ガスが充填されている。ボンベ７は、配管２９を介して第１ノズル５の流入口５ｂと接続している。配管２９には公知の第１圧力調整弁Ｖ１と第１ガス圧力センサ３１とが設けられている。第１圧力調整弁Ｖ１及び第１ガス圧力センサ３１は、それぞれ回路３３、３５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ガス圧力センサ３１は、配管２９内を流通するＮ2ガスの圧力を検知し、制御装置１３に向けて第１ガス圧力検知信号を送信可能になっている。なお、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９が供給手段に相当する。
【００２３】
さらに、配管２９には加熱室３７が設けられている。加熱室３７内には公知の第１電気ヒータ９が設けられている。第１電気ヒータ９は、加熱室３７内に延びる配管２９を加熱することで、配管２９内のＮ2ガスを間接的に加熱可能になっている。また、加熱室３７には、第１ヒータコントローラ３９及び第１ガス温度センサ４１が設けられている。第１ヒータコントローラ３９及びガス温度センサ４１は、それぞれ回路４３、４５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ヒータコントローラ３９は、第１電気ヒータ９とも電気的に接続されている。
【００２４】
第１ヒータコントローラ３９は第１電気ヒータ９の出力制御を行い、配管２９内のＮ2ガスを任意の温度に加熱させる。また、第１ガス温度センサ４１は、配管２９内を流通するＮ2ガスの温度を検知し、制御装置１３に向けて第１ガス温度検知信号を送信可能になっている。なお、第１電気ヒータ９及び第１ヒータコントローラ３９が加圧ガス加熱手段に相当する。
【００２５】
作業テーブル１１には、上面７０ａ側を第１ノズル５の方向に向けた状態で基材７０が設置されるようになっている。この基材７０は、公知のカーボンペーパーを公知の方法で加工することにより得られている。なお、公知の高分子電解質膜を基材７０として採用することも可能である。
【００２６】
また、作業テーブル１１は、一つの基材７０のみを設置可能に構成されても良く、複数の基材７０を設置可能に構成されても良い。また、基材７０を供給するローラ等を設け、作業テーブル１３に基材７０が順次設置されるように構成しても良い。
【００２７】
作業テーブル１１内には公知の第２電気ヒータ４７が設けられている。第２電気ヒータ４７は、作業テーブル１１内で発熱することで、作業テーブル１１に設置された基材７０を間接的に加熱可能になっている。また、作業テーブル１１には、第２ヒータコントローラ４９及び基材温度センサ５１が設けられている。第２ヒータコントローラ４９及び基材温度センサ５１は、それぞれ回路５３、５５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ヒータコントローラ４９は第２電気ヒータ４７とも電気的に接続されている。
【００２８】
第２ヒータコントローラ４９は第２電気ヒータ４７の出力制御を行い、第２電気ヒータ４７を所定の温度で発熱させることが可能になっている。また、基材温度センサ５１は、作業テーブル１１の温度を基に、基材７０の温度を検知し、制御装置１３に向けて基材温度検知信号を送信可能になっている。
【００２９】
２流体ノズル５と作業テーブル１１との間には、ペースト温度センサ５７と、レーザ測定装置５９とが配置されている。ペースト温度センサ５７及びレーザ測定装置５９は、それぞれ回路６１、６３を介して制御装置１３と電気的に接続されている。ペースト温度センサ５７は、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の温度を検知し、制御装置１３に向けてペースト温度検知信号を送信可能になっている。なお、検知されたペースト温度は、ガス温度センサ４１で検知される温度の代わりに第１ヒータコントローラ３９の制御に用いてもよい。
【００３０】
レーザ測定装置５９は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等で構成された公知のレーザ照射装置５９ａを有している。レーザ照射装置５９ａは、第１ノズル５から噴霧されたペースト３０に向けてレーザを照射する。レーザ測定装置５９は、照射されたレーザの反射光を基に噴霧されたペースト３０の粒子径を測定可能になっている。レーザ測定装置５９は、測定したペースト３０の粒子径に基づき、制御装置１３に向けて粒子径検知信号を送信可能になっている。なお、レーザ測定装置５９が粒子径測定手段に相当する。
【００３１】
制御手段としての制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ペースト圧力検知信号に基づき、第１電動ポンプＰ１の作動制御を行い、第１ノズル５に供給されるペースト３０の供給圧力の制御を行う。同様に、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ガス圧力検知信号に基づいて、第１圧力調整弁Ｖ１の開度を調整し、第１ノズル５に対するＮ2ガスの供給圧力を制御する。さらに、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ガス温度検知信号に基づく第１ヒータ制御信号の送信を行うことで、第１ヒータコントローラ３９の制御を行う。
【００３２】
これらの第１電動ポンプＰ１の制御と第１圧力調整弁Ｖ１の制御と、第１ヒータコントローラ３９の制御により、制御装置１３は、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径と噴霧量と、第１ノズル５に供給されるＮ2ガスの温度とを制御する。また、制御装置１３は、基材温度検知信号に基づく第２ヒータ制御信号の送信を行うことで、第２ヒータコントローラ４９の制御を行う。
【００３３】
さらに、制御装置１３は、モータ２５ａを作動させることで、第１ノズル５について、図１中の実線矢印で示すように、基材７０に対して水平方向で相対的に走査させる。この際、制御装置１３は、第１ノズル５の走査量の制御も同時に行う。
【００３４】
以上のように構成されたこの製造装置によれば、図２に示すように、基材７０に対し、ペースト３０噴霧することにより、基材７０の一面７０ａに触媒層７１を形成し、電極８０を得ることができる。
【００３５】
この製造装置では、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの各圧力の調整を行うことで、噴霧されるペースト３０の粒子径及びペーストの噴霧量の調整を行う。また同時に、噴霧されるペースト３０の温度調整も行う。この際、この製造装置では、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号により、第１ノズル５から実際に噴霧されているペースト３０の粒子径、噴霧量及び温度を検知し、適宜、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの供給圧力やＮ2ガスの温度を調整する。
【００３６】
上記のように、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力を制御することにより、噴霧されるペースト３０の粒子径や噴霧量を容易に変更することが可能である。この製造装置では、上記のように、制御装置１３が第１ペースト圧力検知信号等に基づいて、第１電動ポンプＰ１を制御し、供給圧力を０．２ＭＰａに調整した状態で第１ノズル５にペースト３０を供給させる（図２中の黒色矢印参照）。このように、粒子径や噴霧量の調整が行われたペースト３０によれば、触媒層７１における細孔構造が好適に形成され、触媒層７１が好適な状態となる。
【００３７】
一方で、上記の好適な触媒層７１を得るには、触媒層７１の乾燥条件も高い精度で制御することが必要となる。特に、ペースト３０の粒子径が小さくなるほど乾燥条件に適合する温度の範囲が狭くなり、より高い精度でペースト３０の温度制御も必要となる。
【００３８】
この点についても、この製造装置では、制御装置１３及び第１ヒータコントローラ３９が第１ガス圧力検知信号及び第１ガス温度検知信号に基づいて、第１圧力調整弁Ｖ１及び第１電気ヒータ９を制御する。これにより、第１圧力調整弁Ｖ１はＮ2ガスの供給圧力を０．３ＭＰａに調整し、また、第１電気ヒータ９は、Ｎ2ガスの温度を所望する温度に加熱した状態で第１ノズル５にＮ2ガスを供給する（同図中の白色矢印参照）。このように、ペースト３０とともに噴霧されるＮ2ガスの温度を変化させることで、この製造装置では、噴霧されるペースト３０自体の温度も触媒層７１の乾燥条件に適合させることが可能となっている。
【００３９】
これらにより、この製造装置では、基材７０上の触媒層７１の乾燥条件を好適な状態とすることが可能となっており、これによって得られた触媒層７１が好適な状態となる。
【００４０】
さらに、この製造装置によれば、上記のように、制御装置１５がペースト３０の粒子径等を安定して調整可能であることから、電極８０を大量に生産した場合であっても、個体毎のバラツキを生じさせ難くなっている。
【００４１】
したがって、本発明の製造装置によれば、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００４２】
特に、この製造装置では、基材７０に対し、第１ノズル５が相対的に走査可能である。このため、この製造装置によれば、基材７０の上面７０ａにペースト３０を均一に分散し易くなるとともに、触媒層７１の厚みを均一にし易くなっている。また、この製造装置では、第２電気ヒータ４７を所定の温度で発熱させることにより、作業テーブル１１上の基材７０も同時に加熱させるため、触媒層７１の乾燥条件により適合させ易くなっている。これらにより、この製造装置によれば、より安定的に高性能の電極８０を製造することが可能となっている。
【００４３】
｛検証｝
触媒層７１の乾燥条件の相違による電極８０の発電性能の相違を検証するため、６種類のセル（以下、試料１〜６のセルという。）による比較実験を行った。試料１〜６のセルが備えているＭＥＡ（以下、試料１〜６のＭＥＡという。）は、それぞれ以下の方法で得られている。なお、各セルの構成及び製造方法は公知のセルの構成及び製造方法と同様である。
【００４４】
試料１のＭＥＡを得るに当たっては、まず、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が５５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。一方、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６５°Ｃに設定された状態で得られた電極をアノード極として用意した。そして、公知の固体高分子電解質膜をカソード極とアノード極とで挟持した状態で、温度１４０°Ｃ、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスすることでこれらを接合し、試料１のＭＥＡを得た。
【００４５】
試料２のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料２のＭＥＡを得た。
【００４６】
試料３のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。つまり、カソード極とアノード極とが同質である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料３のＭＥＡを得た。
【００４７】
試料４のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が７０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料４のＭＥＡを得た。
【００４８】
試料５のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が７５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料５のＭＥＡを得た。
【００４９】
試料６のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が５０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料６のＭＥＡを得た。
【００５０】
〈実験例１〉
これら各ＭＥＡを備えた各セルを温度５０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度５０°Ｃ、カソード極及びアノード極が常圧の測定環境の下、インピーダンス測定を行い、カソード極における触媒層の抵抗値を測定した。実験結果を図３に示す。
【００５１】
図３のグラフが示すように、各セル共に比較的良好な低い抵抗値を示しており、とりわけ、試料１〜４のセルは試料５、６のセルと比較して、触媒層の抵抗値が低い値を示しており、発電性能がより高いことが判明した。
【００５２】
〈実験例２〉
次に、上記の各セルを温度９０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度６０°Ｃ、カソード極及びアノード極を１００ｋＰａに加圧した低加湿測定環境の下、各セルに電流を印加して各セルの低加湿発電評価を行った。実験結果を図４に示す。
【００５３】
図４のグラフでは、各セルが１．６Ａ／ｃｍ2で発電した場合における各セルの電圧値を示している。同図が示すように、各セル共に比較的良好な高い電圧値を示しており、とりわけ、試料１〜５のセルは高い電圧値を示しており、電圧特性がより高いことが判明した。
【００５４】
〈実験例３〉
次に、低加湿の条件下において、特に高い発電性能を示した試料３のセル及び試料４のセルについて、高加湿発電評価を行った。この実験では、各セルを温度５０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度５０°Ｃ、カソード極及びアノード極を常圧とした高加湿測定環境の下、各セルの電流及び電圧の変化を測定した。実験結果を図５に示す。
【００５５】
図５のグラフが示すように、各セル共に電流の変化に対する電圧の変化の度合いが小さく、高性能であることが判明した。これらのセルの電極では、発電時におけるフラッディングが効果的に抑制されているものと考えられる。特に、試料４のセルは、電流の変化に対する電圧の変化の度合いがより小さいことから、より好適にフラッディングが抑制された結果、より高電圧領域において高性能となることが示されている。
【００５６】
上記の実験例１〜３により、Ｎ2ガスの温度の変更による乾燥条件の相違と、それによる電極８０の発電性能の相違とについて、以下の点が明らかとなった。すなわち、電極８０を得る際、Ｎ2ガスの加熱温度を制御し、基材７０上に形成された触媒層７１の乾燥条件を制御することで、触媒層７１中のペースト３０の性状を変化させることが可能であることが判明した。つまり、触媒層７１の乾燥条件を制御することで、発電時における触媒層７１の抵抗値を低減させることができる等、発電性能の高い電極８０を得ることができる。
【００５７】
これらの各実験１〜３により、特に、Ｎ2ガスの加熱温度を５５〜７５°Ｃ程度に調整することで、発電時における触媒層７１の抵抗値をより低減させることができることが判明した。また、この温度範囲に調整することで、電極８０では、触媒層７１の保水性が向上し、低加湿時における電圧特性がより高くなるとともに、高加湿時における排水性も向上し、高湿度条件下における電圧特性もより高くなり、結果として、電極８０の発電性能がより高くなることが判明した。
【００５８】
（実施例２）
実施例２の製造装置は、実施例１の製造装置の構成に加えて、図６に示すように、第２ノズル６と第３電気ヒータ１０とを備えている。なお、第２ノズル６も第１ノズル５と同様２流体ノズルである。
【００５９】
第２ノズル６は、流入口６ａ、６ｂを有している。流入口６ａには配管１６の一端側が接続されている。配管１６の他端側は貯留タンク３と接続されている。配管１６には、第２電動ポンプＰ２と第２ペースト圧力センサ２０とが設けられている。第２電動ポンプＰ２は、回路２１と接続された回路２２を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ペースト圧力センサ２０は、回路２３と接続された回路２４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ペースト圧力センサ２０は、配管１６内を流通するペースト３０の圧力を検知し、制御装置１３に向けて第２ペースト圧力検知信号を送信可能になっている。
【００６０】
また、第２ノズル６には、公知のモータ２６ａ等で構成される第２ノズル走査手段２６が設けられている。モータ２６ａは、回路２７と接続された回路２８を介して制御装置１３と電気的に接続されている。
【００６１】
ボンベ７は、配管３０を介して第２ノズル６の流入口６ｂとも接続している。配管３０には公知の第２圧力調整弁Ｖ２と第２ガス圧力センサ３２が設けられている。第２圧力調整弁Ｖ２は、回路３３と接続された回路３４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。また、第２ガス圧力センサ３２は、回路３５と接続された回路３６を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ガス圧力センサ３２は、配管３０内を流通するＮ2ガスの圧力を検知し、制御装置１３に向けて第２ガス圧力検知信号を送信可能になっている。なお、上記の第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９に加えて、第２電動ポンプＰ２、第２圧力調整弁Ｖ２及び配管１６、３０が供給手段に相当する。
【００６２】
さらに、配管３０には加熱室３８が設けられている。加熱室３８内には公知の第３電気ヒータ１０が設けられている。第３電気ヒータ１０は、加熱室３８内に延びる配管３０を加熱することで、配管３０内のＮ2ガスを間接的に加熱可能になっている。また、加熱室３８には、第３ヒータコントローラ４０及び第２ガス温度センサ４２が設けられている。第３ヒータコントローラ４０は、回路４３と接続された回路４４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。また、第２ガス温度センサ４２は、回路４５と接続された回路４６を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第３ヒータコントローラ４０は第３電気ヒータ１０とも電気的に接続されている。
【００６３】
第３ヒータコントローラ４０は第３電気ヒータ１０の出力制御を行い、配管３０内のＮ2ガスを任意の温度で加熱させる。また、第２ガス温度センサ４２は、配管３０内を流通するＮ2ガスの温度を検知し、制御装置１３に向けて第２ガス温度検知信号を送信可能になっている。なお、上記の第１電気ヒータ９及び第１ヒータコントローラ３９に加えて、第３電気ヒータ１０及び第３ヒータコントローラ４０が加圧ガス加熱手段に相当する。
【００６４】
制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ペースト圧力検知信号に基づき、第２電動ポンプＰ２の作動制御を行い、第２ノズル６に供給されるペースト３０の供給圧力の制御を行う。同様に、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ガス圧力検知信号に基づいて、第２圧力調整弁Ｖ２の開度を調整し、第２ノズル６に対するＮ2ガスの供給圧力を制御する。さらに、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ガス温度検知信号に基づく第３ヒータ制御信号の送信を行うことで、第３ヒータコントローラ４０の制御を行う。
【００６５】
これらの第２電動ポンプＰ２の制御と第２圧力調整弁Ｖ２の制御と、第３ヒータコントローラ４０の制御により、制御装置１３は、第２ノズル６から噴霧されるペースト３０の粒子径と噴霧量と、第２ノズル６に供給されるＮ2ガスの温度とを第１ノズル５とは別々に制御する。
【００６６】
また、制御装置１３は、モータ２６ａを作動させることで、第２ノズル６について、図６中の実線矢印で示すように、基材７０に対して水平方向で相対的に走査させる。この際、制御装置１３は、第２ノズル６の走査量の制御も同時に行う。他の構成は実施例１の製造装置と同様である。
【００６７】
以上のように構成されたこの製造装置では、第１ノズル５に対するペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力と、Ｎ2ガスの温度との制御とは別に、制御装置１３が第２電動ポンプＰ２、第２ヒータコントローラ４０及び第２圧力調整弁Ｖ２の各制御を行うことで、第２ノズル６に対するペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力と、Ｎ2ガスの温度との制御を行う。この際、この製造装置では、第１ノズル５と同様、第２ノズル６から実際に噴霧されているペースト３０の粒子径、噴霧量及び温度を検知し、適宜、第２ノズル６に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの供給圧力やＮ2ガスの温度の調整も行う。
【００６８】
これらにより、この製造装置では、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径等と第２ノズル６から噴霧されるペースト３０の粒子径等とを異なる条件とすることが可能となっている。
【００６９】
さらに、この製造装置では、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０と第２ノズル６から噴霧されるペースト３０との各温度、すなわち、第１、２ノズルから噴霧されて得られた各触媒層７１の乾燥条件を異なる条件とすることも可能となっている。
【００７０】
これらペースト３０の粒子径や触媒層７１の乾燥条件等を相違させることで、この製造装置では、面内又は厚み内で異なる特性を有する触媒層７１、すなわち傾斜構造を有する触媒層７１を製造することが可能となっている。他の作用効果は実施例１の製造装置と同様である。
【００７１】
したがって、実施例２の製造装置によっても、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００７２】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７３】
例えば、第１、２ノズル５、６に対して基材７０を相対的に走査させる走査手段を設けても良い。この場合、基材７０を直接走査させても良く、また例えば、作業テーブル１１を走査させることで、間接的に基材７０を走査させても良い。
【００７４】
また、第１、２ノズル走査手段２５、２６におけるモータ２５ａ、２６ａに替えて、伸縮ロッド等によって、第１、２ノズル走査手段２５、２６を構成することもできる。また、各モータ２５ａ、２６ａ、４９ａと伸縮ロッドとを組み合わせることもできる。
【００７５】
さらに、実施例２の製造装置において、貯留タンクを追加して設けても良い。追加された貯留タンク内に貯留されるペーストは、ペースト３０であっても良く、ペースト３０とは異なる特性を有していても良い。
【００７６】
また、実施例２の製造装置において、２流体ノズルを３つ以上設けることもできる。この場合、加圧ガス加熱手段としての電気ヒータは採用される２流体ノズルの個数に応じて複数備えられる。
【００７７】
なお、実施例１の製造装置は、以下の製造方法で表現され得る。すなわち、この製造方法は、基材７０上に触媒層７１を形成する燃料電池用電極の製造装置において、
担体９２に触媒金属微粒子３０が担持された触媒９０と高分子電解質９１とを含有するペースト３０を調製するペースト調製工程と、
加熱されたＮ2ガスによりペースト３０を第１ノズル５から基材７０に噴射する噴霧工程とを備えている。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等に用いる燃料電池の電極の製造装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
７１…触媒層
３０…ペースト
３…貯留タンク
７０…基材
５、６…２流体ノズル（５…第１ノズル、６…第２ノズル）
Ｐ１、Ｐ２、Ｖ１、Ｖ２、１５、１６、２９、３０…供給手段（Ｐ１…第１電動ポンプ、Ｐ２…第２電動ポンプ、Ｖ１…第１圧力調整弁、Ｖ２…第２圧力調整弁、１５、１６、２９、３０…配管）
９、１０、３９、４０…加圧ガス加熱手段（９…第１電気ヒータ、１０…第２電気ヒータ、３９…第１ヒータコントローラ、４０…第２ヒータコントローラ）
１３…制御装置（制御手段）
５９…レーザ測定装置（粒子径測定手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のカソード極やアノード極といった電極は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の導電性及びガス透過性のある基材と、この基材の一面に形成された触媒層とを有している。これらカソード極やアノード極の各触媒層が電解質層の一面及び他面にそれぞれ接合されることにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。
【０００３】
触媒層は、触媒と高分子電解質と溶媒とを含むペーストが基材の一面側に塗布されることにより形成される。触媒は、カーボンブラック等の導電性のある担体に白金（Ｐｔ）等の触媒金属微粒子を担持させてなる。また、同文献に示されるように、ペーストは、触媒と高分子電解質とを含有する触媒ペーストと、保水材と高分子電解質とを含有する保水材ペーストとを混合することによって得られる場合もある。上記の基材に対し、これらのペーストの塗布や噴霧等を行うことで触媒層を形成し、その基材上の触媒層が乾燥することで電極が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような電極については、より優れた発電性能を発揮することが求められる。また、大量に電極を製造するに当たっては、個体毎における発電性能のバラツキは可及的に小さく抑えることが求められる。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池用電極の製造装置は、触媒層を構成するペーストを貯留する貯留タンクと、
該貯留タンクと接続され、加圧ガスによって該ペーストを基材に対して噴霧可能な２流体ノズルと、
該２流体ノズルに該ペースト及び該加圧ガスをそれぞれ圧力調整して供給可能な供給手段と、
該２流体ノズルから該ペーストとともに噴射される該加圧ガスを加熱可能な加圧ガス加熱手段と、
前記供給手段及び前記加圧ガス加熱手段の少なくとも一方を制御して前記２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能な制御手段とを備えていることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の発明者は、より高い発電性能を発揮し得る電極を発明するにあたり、触媒層中のペーストの性状に着目した。触媒層中のペーストの性状とは、例えば、噴霧中のペーストの粒子径や、これによって構成される触媒層における細孔構造の他、基材上に形成された被覆状態等を指す。例えば、触媒層に細孔構造が好適に形成されれば、電極は、電気化学反応時にガスや水の透過性が向上し、結果として発電性能が高くなると考えられるからである。
【０００９】
本発明の製造装置によれば、制御手段が２流体ノズルに供給されるペースト及び加圧ガスの各圧力の調整を行うことで、噴霧されるペーストの粒子径の調整が可能となる他、ペーストの噴霧量の調整も可能である。また、この製造装置では、２流体ノズルに供給される加圧ガスの温度を調整することで、噴霧されるペーストの温度調整も可能である。そして、粒子径や噴霧量の調整が行われたペーストによれば、触媒層における細孔構造が好適に形成され、触媒層が好適な状態となる。また、ペーストとともに噴霧される加圧ガスの温度を変化させることで、基材上の触媒層の乾燥条件を好適な状態とし、触媒層が好適な状態となる。この際、この製造装置では、噴霧されるペースト自体の温度も触媒層の乾燥条件に適合する。
【００１０】
さらに、この製造装置によれば、制御手段がペーストの性状を安定して調整可能であることから、電極を大量に生産した場合であっても、個体毎のバラツキが生じ難い。
【００１１】
したがって、本発明の製造装置によれば、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００１２】
２流体ノズルは基材に対して走査可能に構成されても良い。ペーストは、特性が異なる複数のペーストを混合することによって得られたものでも良い。また、基材を加熱する手段を設けても良い。
【００１３】
２流体ノズルが複数ある場合、制御手段は、各２流体ノズルから噴霧されるペーストの性状を調整可能であることが好ましい（請求項２）。この場合には、複数の２流体ノズルからそれぞれ噴霧されるペーストの粒子径や噴霧量の他、加圧ガスの温度を変更することで、面内又は厚み内で異なる特性を有する触媒層、すなわち傾斜構造を有する触媒層を製造することが可能である。
【００１４】
本発明の製造装置は、２流体ノズルから噴霧されたペーストの粒子径を測定可能な粒子径測定手段を備え得る。そして、制御手段は粒子径測定手段が測定した粒子径に基づいて制御を行うことが好ましい（請求項３）。この場合には、実際に２流体ノズルから噴霧されるペーストの粒子径に基づいて、加圧ガスの温度調整等が可能となる。このため、この製造装置では、より発電性能が高い電極を得ることが可能となる。
【００１５】
制御手段は、加圧ガスの温度を５５〜７５°Ｃに調整することが好ましい。発明者の実験により、加圧ガスの温度をこれらの温度範囲に調整した状態で触媒層を形成することで、発電性能の高い電極を得ることができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１の製造装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例１の製造装置に係り、ペーストの噴霧状態等を示す拡大断面図である。
【図３】実験例１に係り、Ｎ2ガスの温度とＭＥＡにおける抵抗値の変化との関係を示すグラフである。
【図４】実験例２に係り、Ｎ2ガスの温度とＭＥＡにおける電圧の変化との関係を示すグラフである。
【図５】実験例３に係り、電流の変化と電圧の変化との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２の製造装置を示す模式構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施例１、２及び実験例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
（実施例１）
実施例１の製造装置は、図１に示すように、貯留タンク３と、第１ノズル５と、ボンベ７と、第１電気ヒータ９と、作業テーブル１１と、制御装置１３とを備えている。なお、第１ノズル５は２流体ノズルである。
【００１９】
貯留タンク３にはペースト３０が貯留されている。このペースト３０は、図２に示すように、触媒９０と高分子電解質９１とを含有している。触媒９０は、カーボンブラックからなる担体９２に対し、Ｐｔからなる触媒金属微粒子９３が担持密度５０ｗｔ％で担持されて得られている。この触媒ペースト３０は、５０ｇの触媒９０に対し、水５００ｇと、５重量％の高分子電解質９１の水溶液５００ｇと、エタノール５００とを加え、自転／公転式遠心攪拌機（キーエンス社製、商品名「ハイブリッドミキサーＨＭ−５００」）により撹拌及び脱泡を行うことによって得られている。この触媒ペースト３０では、触媒９０の周囲に高分子電解質９１による層が形成されている。
【００２０】
第１ノズル５は、図１に示すように、流入口５ａ、５ｂを有している。流入口５ａには配管１５の一端側が接続されている。配管１５の他端側は貯留タンク３と接続されている。配管１５には、第１電動ポンプＰ１と第１ペースト圧力センサ１９とが設けられている。第１電動ポンプＰ１及び第１ペースト圧力センサ１９は、それぞれ回路２１、２３を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ペースト圧力センサ１９は、配管１５内を流通するペースト３０の圧力を検知し、制御装置１３に向けて第１ペースト圧力検知信号を送信可能になっている。
【００２１】
また、第１ノズル５には、公知のモータ２５ａ等で構成される第１ノズル走査手段２５が設けられている。モータ２５ａは、回路２７を介して制御装置１３と電気的に接続されている。
【００２２】
ボンベ７には、高圧のＮ2ガスが充填されている。ボンベ７は、配管２９を介して第１ノズル５の流入口５ｂと接続している。配管２９には公知の第１圧力調整弁Ｖ１と第１ガス圧力センサ３１とが設けられている。第１圧力調整弁Ｖ１及び第１ガス圧力センサ３１は、それぞれ回路３３、３５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ガス圧力センサ３１は、配管２９内を流通するＮ2ガスの圧力を検知し、制御装置１３に向けて第１ガス圧力検知信号を送信可能になっている。なお、第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９が供給手段に相当する。
【００２３】
さらに、配管２９には加熱室３７が設けられている。加熱室３７内には公知の第１電気ヒータ９が設けられている。第１電気ヒータ９は、加熱室３７内に延びる配管２９を加熱することで、配管２９内のＮ2ガスを間接的に加熱可能になっている。また、加熱室３７には、第１ヒータコントローラ３９及び第１ガス温度センサ４１が設けられている。第１ヒータコントローラ３９及びガス温度センサ４１は、それぞれ回路４３、４５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第１ヒータコントローラ３９は、第１電気ヒータ９とも電気的に接続されている。
【００２４】
第１ヒータコントローラ３９は第１電気ヒータ９の出力制御を行い、配管２９内のＮ2ガスを任意の温度に加熱させる。また、第１ガス温度センサ４１は、配管２９内を流通するＮ2ガスの温度を検知し、制御装置１３に向けて第１ガス温度検知信号を送信可能になっている。なお、第１電気ヒータ９及び第１ヒータコントローラ３９が加圧ガス加熱手段に相当する。
【００２５】
作業テーブル１１には、上面７０ａ側を第１ノズル５の方向に向けた状態で基材７０が設置されるようになっている。この基材７０は、公知のカーボンペーパーを公知の方法で加工することにより得られている。なお、公知の高分子電解質膜を基材７０として採用することも可能である。
【００２６】
また、作業テーブル１１は、一つの基材７０のみを設置可能に構成されても良く、複数の基材７０を設置可能に構成されても良い。また、基材７０を供給するローラ等を設け、作業テーブル１３に基材７０が順次設置されるように構成しても良い。
【００２７】
作業テーブル１１内には公知の第２電気ヒータ４７が設けられている。第２電気ヒータ４７は、作業テーブル１１内で発熱することで、作業テーブル１１に設置された基材７０を間接的に加熱可能になっている。また、作業テーブル１１には、第２ヒータコントローラ４９及び基材温度センサ５１が設けられている。第２ヒータコントローラ４９及び基材温度センサ５１は、それぞれ回路５３、５５を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ヒータコントローラ４９は第２電気ヒータ４７とも電気的に接続されている。
【００２８】
第２ヒータコントローラ４９は第２電気ヒータ４７の出力制御を行い、第２電気ヒータ４７を所定の温度で発熱させることが可能になっている。また、基材温度センサ５１は、作業テーブル１１の温度を基に、基材７０の温度を検知し、制御装置１３に向けて基材温度検知信号を送信可能になっている。
【００２９】
２流体ノズル５と作業テーブル１１との間には、ペースト温度センサ５７と、レーザ測定装置５９とが配置されている。ペースト温度センサ５７及びレーザ測定装置５９は、それぞれ回路６１、６３を介して制御装置１３と電気的に接続されている。ペースト温度センサ５７は、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の温度を検知し、制御装置１３に向けてペースト温度検知信号を送信可能になっている。なお、検知されたペースト温度は、ガス温度センサ４１で検知される温度の代わりに第１ヒータコントローラ３９の制御に用いてもよい。
【００３０】
レーザ測定装置５９は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等で構成された公知のレーザ照射装置５９ａを有している。レーザ照射装置５９ａは、第１ノズル５から噴霧されたペースト３０に向けてレーザを照射する。レーザ測定装置５９は、照射されたレーザの反射光を基に噴霧されたペースト３０の粒子径を測定可能になっている。レーザ測定装置５９は、測定したペースト３０の粒子径に基づき、制御装置１３に向けて粒子径検知信号を送信可能になっている。なお、レーザ測定装置５９が粒子径測定手段に相当する。
【００３１】
制御手段としての制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ペースト圧力検知信号に基づき、第１電動ポンプＰ１の作動制御を行い、第１ノズル５に供給されるペースト３０の供給圧力の制御を行う。同様に、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ガス圧力検知信号に基づいて、第１圧力調整弁Ｖ１の開度を調整し、第１ノズル５に対するＮ2ガスの供給圧力を制御する。さらに、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第１ガス温度検知信号に基づく第１ヒータ制御信号の送信を行うことで、第１ヒータコントローラ３９の制御を行う。
【００３２】
これらの第１電動ポンプＰ１の制御と第１圧力調整弁Ｖ１の制御と、第１ヒータコントローラ３９の制御により、制御装置１３は、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径と噴霧量と、第１ノズル５に供給されるＮ2ガスの温度とを制御する。また、制御装置１３は、基材温度検知信号に基づく第２ヒータ制御信号の送信を行うことで、第２ヒータコントローラ４９の制御を行う。
【００３３】
さらに、制御装置１３は、モータ２５ａを作動させることで、第１ノズル５について、図１中の実線矢印で示すように、基材７０に対して水平方向で相対的に走査させる。この際、制御装置１３は、第１ノズル５の走査量の制御も同時に行う。
【００３４】
以上のように構成されたこの製造装置によれば、図２に示すように、基材７０に対し、ペースト３０噴霧することにより、基材７０の一面７０ａに触媒層７１を形成し、電極８０を得ることができる。
【００３５】
この製造装置では、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの各圧力の調整を行うことで、噴霧されるペースト３０の粒子径及びペーストの噴霧量の調整を行う。また同時に、噴霧されるペースト３０の温度調整も行う。この際、この製造装置では、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号により、第１ノズル５から実際に噴霧されているペースト３０の粒子径、噴霧量及び温度を検知し、適宜、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの供給圧力やＮ2ガスの温度を調整する。
【００３６】
上記のように、第１ノズル５に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力を制御することにより、噴霧されるペースト３０の粒子径や噴霧量を容易に変更することが可能である。この製造装置では、上記のように、制御装置１３が第１ペースト圧力検知信号等に基づいて、第１電動ポンプＰ１を制御し、供給圧力を０．２ＭＰａに調整した状態で第１ノズル５にペースト３０を供給させる（図２中の黒色矢印参照）。このように、粒子径や噴霧量の調整が行われたペースト３０によれば、触媒層７１における細孔構造が好適に形成され、触媒層７１が好適な状態となる。
【００３７】
一方で、上記の好適な触媒層７１を得るには、触媒層７１の乾燥条件も高い精度で制御することが必要となる。特に、ペースト３０の粒子径が小さくなるほど乾燥条件に適合する温度の範囲が狭くなり、より高い精度でペースト３０の温度制御も必要となる。
【００３８】
この点についても、この製造装置では、制御装置１３及び第１ヒータコントローラ３９が第１ガス圧力検知信号及び第１ガス温度検知信号に基づいて、第１圧力調整弁Ｖ１及び第１電気ヒータ９を制御する。これにより、第１圧力調整弁Ｖ１はＮ2ガスの供給圧力を０．３ＭＰａに調整し、また、第１電気ヒータ９は、Ｎ2ガスの温度を所望する温度に加熱した状態で第１ノズル５にＮ2ガスを供給する（同図中の白色矢印参照）。このように、ペースト３０とともに噴霧されるＮ2ガスの温度を変化させることで、この製造装置では、噴霧されるペースト３０自体の温度も触媒層７１の乾燥条件に適合させることが可能となっている。
【００３９】
これらにより、この製造装置では、基材７０上の触媒層７１の乾燥条件を好適な状態とすることが可能となっており、これによって得られた触媒層７１が好適な状態となる。
【００４０】
さらに、この製造装置によれば、上記のように、制御装置１５がペースト３０の粒子径等を安定して調整可能であることから、電極８０を大量に生産した場合であっても、個体毎のバラツキを生じさせ難くなっている。
【００４１】
したがって、本発明の製造装置によれば、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００４２】
特に、この製造装置では、基材７０に対し、第１ノズル５が相対的に走査可能である。このため、この製造装置によれば、基材７０の上面７０ａにペースト３０を均一に分散し易くなるとともに、触媒層７１の厚みを均一にし易くなっている。また、この製造装置では、第２電気ヒータ４７を所定の温度で発熱させることにより、作業テーブル１１上の基材７０も同時に加熱させるため、触媒層７１の乾燥条件により適合させ易くなっている。これらにより、この製造装置によれば、より安定的に高性能の電極８０を製造することが可能となっている。
【００４３】
｛検証｝
触媒層７１の乾燥条件の相違による電極８０の発電性能の相違を検証するため、６種類のセル（以下、試料１〜６のセルという。）による比較実験を行った。試料１〜６のセルが備えているＭＥＡ（以下、試料１〜６のＭＥＡという。）は、それぞれ以下の方法で得られている。なお、各セルの構成及び製造方法は公知のセルの構成及び製造方法と同様である。
【００４４】
試料１のＭＥＡを得るに当たっては、まず、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が５５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。一方、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６５°Ｃに設定された状態で得られた電極をアノード極として用意した。そして、公知の固体高分子電解質膜をカソード極とアノード極とで挟持した状態で、温度１４０°Ｃ、圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスすることでこれらを接合し、試料１のＭＥＡを得た。
【００４５】
試料２のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料２のＭＥＡを得た。
【００４６】
試料３のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が６５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。つまり、カソード極とアノード極とが同質である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料３のＭＥＡを得た。
【００４７】
試料４のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が７０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料４のＭＥＡを得た。
【００４８】
試料５のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が７５°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料５のＭＥＡを得た。
【００４９】
試料６のＭＥＡを得るに当たっては、上記の製造装置において、Ｎ2ガスの温度が５０°Ｃに設定された状態で得られた電極をカソード極として用意した。アノード極は試料１と同様である。そして、試料１のＭＥＡと同じ条件で、これらのカソード極、アノード極及び固体高分子電解質膜を接合し、試料６のＭＥＡを得た。
【００５０】
〈実験例１〉
これら各ＭＥＡを備えた各セルを温度５０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度５０°Ｃ、カソード極及びアノード極が常圧の測定環境の下、インピーダンス測定を行い、カソード極における触媒層の抵抗値を測定した。実験結果を図３に示す。
【００５１】
図３のグラフが示すように、各セル共に比較的良好な低い抵抗値を示しており、とりわけ、試料１〜４のセルは試料５、６のセルと比較して、触媒層の抵抗値が低い値を示しており、発電性能がより高いことが判明した。
【００５２】
〈実験例２〉
次に、上記の各セルを温度９０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度６０°Ｃ、カソード極及びアノード極を１００ｋＰａに加圧した低加湿測定環境の下、各セルに電流を印加して各セルの低加湿発電評価を行った。実験結果を図４に示す。
【００５３】
図４のグラフでは、各セルが１．６Ａ／ｃｍ2で発電した場合における各セルの電圧値を示している。同図が示すように、各セル共に比較的良好な高い電圧値を示しており、とりわけ、試料１〜５のセルは高い電圧値を示しており、電圧特性がより高いことが判明した。
【００５４】
〈実験例３〉
次に、低加湿の条件下において、特に高い発電性能を示した試料３のセル及び試料４のセルについて、高加湿発電評価を行った。この実験では、各セルを温度５０°Ｃに加熱し、加湿装置の温度５０°Ｃ、カソード極及びアノード極を常圧とした高加湿測定環境の下、各セルの電流及び電圧の変化を測定した。実験結果を図５に示す。
【００５５】
図５のグラフが示すように、各セル共に電流の変化に対する電圧の変化の度合いが小さく、高性能であることが判明した。これらのセルの電極では、発電時におけるフラッディングが効果的に抑制されているものと考えられる。特に、試料４のセルは、電流の変化に対する電圧の変化の度合いがより小さいことから、より好適にフラッディングが抑制された結果、より高電圧領域において高性能となることが示されている。
【００５６】
上記の実験例１〜３により、Ｎ2ガスの温度の変更による乾燥条件の相違と、それによる電極８０の発電性能の相違とについて、以下の点が明らかとなった。すなわち、電極８０を得る際、Ｎ2ガスの加熱温度を制御し、基材７０上に形成された触媒層７１の乾燥条件を制御することで、触媒層７１中のペースト３０の性状を変化させることが可能であることが判明した。つまり、触媒層７１の乾燥条件を制御することで、発電時における触媒層７１の抵抗値を低減させることができる等、発電性能の高い電極８０を得ることができる。
【００５７】
これらの各実験１〜３により、特に、Ｎ2ガスの加熱温度を５５〜７５°Ｃ程度に調整することで、発電時における触媒層７１の抵抗値をより低減させることができることが判明した。また、この温度範囲に調整することで、電極８０では、触媒層７１の保水性が向上し、低加湿時における電圧特性がより高くなるとともに、高加湿時における排水性も向上し、高湿度条件下における電圧特性もより高くなり、結果として、電極８０の発電性能がより高くなることが判明した。
【００５８】
（実施例２）
実施例２の製造装置は、実施例１の製造装置の構成に加えて、図６に示すように、第２ノズル６と第３電気ヒータ１０とを備えている。なお、第２ノズル６も第１ノズル５と同様２流体ノズルである。
【００５９】
第２ノズル６は、流入口６ａ、６ｂを有している。流入口６ａには配管１６の一端側が接続されている。配管１６の他端側は貯留タンク３と接続されている。配管１６には、第２電動ポンプＰ２と第２ペースト圧力センサ２０とが設けられている。第２電動ポンプＰ２は、回路２１と接続された回路２２を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ペースト圧力センサ２０は、回路２３と接続された回路２４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ペースト圧力センサ２０は、配管１６内を流通するペースト３０の圧力を検知し、制御装置１３に向けて第２ペースト圧力検知信号を送信可能になっている。
【００６０】
また、第２ノズル６には、公知のモータ２６ａ等で構成される第２ノズル走査手段２６が設けられている。モータ２６ａは、回路２７と接続された回路２８を介して制御装置１３と電気的に接続されている。
【００６１】
ボンベ７は、配管３０を介して第２ノズル６の流入口６ｂとも接続している。配管３０には公知の第２圧力調整弁Ｖ２と第２ガス圧力センサ３２が設けられている。第２圧力調整弁Ｖ２は、回路３３と接続された回路３４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。また、第２ガス圧力センサ３２は、回路３５と接続された回路３６を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第２ガス圧力センサ３２は、配管３０内を流通するＮ2ガスの圧力を検知し、制御装置１３に向けて第２ガス圧力検知信号を送信可能になっている。なお、上記の第１電動ポンプＰ１、第１圧力調整弁Ｖ１及び配管１５、２９に加えて、第２電動ポンプＰ２、第２圧力調整弁Ｖ２及び配管１６、３０が供給手段に相当する。
【００６２】
さらに、配管３０には加熱室３８が設けられている。加熱室３８内には公知の第３電気ヒータ１０が設けられている。第３電気ヒータ１０は、加熱室３８内に延びる配管３０を加熱することで、配管３０内のＮ2ガスを間接的に加熱可能になっている。また、加熱室３８には、第３ヒータコントローラ４０及び第２ガス温度センサ４２が設けられている。第３ヒータコントローラ４０は、回路４３と接続された回路４４を介して制御装置１３と電気的に接続されている。また、第２ガス温度センサ４２は、回路４５と接続された回路４６を介して制御装置１３と電気的に接続されている。第３ヒータコントローラ４０は第３電気ヒータ１０とも電気的に接続されている。
【００６３】
第３ヒータコントローラ４０は第３電気ヒータ１０の出力制御を行い、配管３０内のＮ2ガスを任意の温度で加熱させる。また、第２ガス温度センサ４２は、配管３０内を流通するＮ2ガスの温度を検知し、制御装置１３に向けて第２ガス温度検知信号を送信可能になっている。なお、上記の第１電気ヒータ９及び第１ヒータコントローラ３９に加えて、第３電気ヒータ１０及び第３ヒータコントローラ４０が加圧ガス加熱手段に相当する。
【００６４】
制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ペースト圧力検知信号に基づき、第２電動ポンプＰ２の作動制御を行い、第２ノズル６に供給されるペースト３０の供給圧力の制御を行う。同様に、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ガス圧力検知信号に基づいて、第２圧力調整弁Ｖ２の開度を調整し、第２ノズル６に対するＮ2ガスの供給圧力を制御する。さらに、制御装置１３は、粒子径検知信号、ペースト温度検知信号及び第２ガス温度検知信号に基づく第３ヒータ制御信号の送信を行うことで、第３ヒータコントローラ４０の制御を行う。
【００６５】
これらの第２電動ポンプＰ２の制御と第２圧力調整弁Ｖ２の制御と、第３ヒータコントローラ４０の制御により、制御装置１３は、第２ノズル６から噴霧されるペースト３０の粒子径と噴霧量と、第２ノズル６に供給されるＮ2ガスの温度とを第１ノズル５とは別々に制御する。
【００６６】
また、制御装置１３は、モータ２６ａを作動させることで、第２ノズル６について、図６中の実線矢印で示すように、基材７０に対して水平方向で相対的に走査させる。この際、制御装置１３は、第２ノズル６の走査量の制御も同時に行う。他の構成は実施例１の製造装置と同様である。
【００６７】
以上のように構成されたこの製造装置では、第１ノズル５に対するペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力と、Ｎ2ガスの温度との制御とは別に、制御装置１３が第２電動ポンプＰ２、第２ヒータコントローラ４０及び第２圧力調整弁Ｖ２の各制御を行うことで、第２ノズル６に対するペースト３０及びＮ2ガスの各供給圧力と、Ｎ2ガスの温度との制御を行う。この際、この製造装置では、第１ノズル５と同様、第２ノズル６から実際に噴霧されているペースト３０の粒子径、噴霧量及び温度を検知し、適宜、第２ノズル６に供給されるペースト３０及びＮ2ガスの供給圧力やＮ2ガスの温度の調整も行う。
【００６８】
これらにより、この製造装置では、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０の粒子径等と第２ノズル６から噴霧されるペースト３０の粒子径等とを異なる条件とすることが可能となっている。
【００６９】
さらに、この製造装置では、第１ノズル５から噴霧されるペースト３０と第２ノズル６から噴霧されるペースト３０との各温度、すなわち、第１、２ノズルから噴霧されて得られた各触媒層７１の乾燥条件を異なる条件とすることも可能となっている。
【００７０】
これらペースト３０の粒子径や触媒層７１の乾燥条件等を相違させることで、この製造装置では、面内又は厚み内で異なる特性を有する触媒層７１、すなわち傾斜構造を有する触媒層７１を製造することが可能となっている。他の作用効果は実施例１の製造装置と同様である。
【００７１】
したがって、実施例２の製造装置によっても、発電性能が高く、かつ個体毎のバラツキが小さい電極を容易に製造可能である。
【００７２】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７３】
例えば、第１、２ノズル５、６に対して基材７０を相対的に走査させる走査手段を設けても良い。この場合、基材７０を直接走査させても良く、また例えば、作業テーブル１１を走査させることで、間接的に基材７０を走査させても良い。
【００７４】
また、第１、２ノズル走査手段２５、２６におけるモータ２５ａ、２６ａに替えて、伸縮ロッド等によって、第１、２ノズル走査手段２５、２６を構成することもできる。また、各モータ２５ａ、２６ａ、４９ａと伸縮ロッドとを組み合わせることもできる。
【００７５】
さらに、実施例２の製造装置において、貯留タンクを追加して設けても良い。追加された貯留タンク内に貯留されるペーストは、ペースト３０であっても良く、ペースト３０とは異なる特性を有していても良い。
【００７６】
また、実施例２の製造装置において、２流体ノズルを３つ以上設けることもできる。この場合、加圧ガス加熱手段としての電気ヒータは採用される２流体ノズルの個数に応じて複数備えられる。
【００７７】
なお、実施例１の製造装置は、以下の製造方法で表現され得る。すなわち、この製造方法は、基材７０上に触媒層７１を形成する燃料電池用電極の製造装置において、
担体９２に触媒金属微粒子３０が担持された触媒９０と高分子電解質９１とを含有するペースト３０を調製するペースト調製工程と、
加熱されたＮ2ガスによりペースト３０を第１ノズル５から基材７０に噴射する噴霧工程とを備えている。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等に用いる燃料電池の電極の製造装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
７１…触媒層
３０…ペースト
３…貯留タンク
７０…基材
５、６…２流体ノズル（５…第１ノズル、６…第２ノズル）
Ｐ１、Ｐ２、Ｖ１、Ｖ２、１５、１６、２９、３０…供給手段（Ｐ１…第１電動ポンプ、Ｐ２…第２電動ポンプ、Ｖ１…第１圧力調整弁、Ｖ２…第２圧力調整弁、１５、１６、２９、３０…配管）
９、１０、３９、４０…加圧ガス加熱手段（９…第１電気ヒータ、１０…第２電気ヒータ、３９…第１ヒータコントローラ、４０…第２ヒータコントローラ）
１３…制御装置（制御手段）
５９…レーザ測定装置（粒子径測定手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層を構成するペーストを貯留する貯留タンクと、
該貯留タンクと接続され、加圧ガスによって該ペーストを基材に対して噴霧可能な２流体ノズルと、
該２流体ノズルに該ペースト及び該加圧ガスをそれぞれ圧力調整して供給可能な供給手段と、
該２流体ノズルから該ペーストとともに噴射される該加圧ガスを加熱可能な加圧ガス加熱手段と、
前記供給手段及び前記加圧ガス加熱手段の少なくとも一方を制御して前記２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能な制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電池用電極の製造装置。
【請求項２】
前記２流体ノズルは複数あり、
前記制御手段は、各該２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能である請求項１記載の燃料電池用電極の製造装置。
【請求項３】
前記２流体ノズルから噴霧された前記ペーストの粒子径を測定可能な粒子径測定手段を備え、
前記制御手段は該粒子径測定手段が測定した前記粒子径に基づいて前記制御を行う請求項１又は２記載の燃料電池用電極の製造装置。
【請求項１】
触媒層を構成するペーストを貯留する貯留タンクと、
該貯留タンクと接続され、加圧ガスによって該ペーストを基材に対して噴霧可能な２流体ノズルと、
該２流体ノズルに該ペースト及び該加圧ガスをそれぞれ圧力調整して供給可能な供給手段と、
該２流体ノズルから該ペーストとともに噴射される該加圧ガスを加熱可能な加圧ガス加熱手段と、
前記供給手段及び前記加圧ガス加熱手段の少なくとも一方を制御して前記２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能な制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電池用電極の製造装置。
【請求項２】
前記２流体ノズルは複数あり、
前記制御手段は、各該２流体ノズルから噴霧される前記ペーストの性状を調整可能である請求項１記載の燃料電池用電極の製造装置。
【請求項３】
前記２流体ノズルから噴霧された前記ペーストの粒子径を測定可能な粒子径測定手段を備え、
前記制御手段は該粒子径測定手段が測定した前記粒子径に基づいて前記制御を行う請求項１又は２記載の燃料電池用電極の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１３３９７７（Ｐ２０１２−１３３９７７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４３９０（Ｐ２０１０−２８４３９０）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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