(57)【要約】【課題】膜電極接合体の製造方法において、転写後の触媒層の外観検査を、より的確に行い得るようにした膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】剥離用シート２１の一面に触媒層２を有する転写シート２０を電解質膜１に加熱圧接して触媒層２を電解質膜１に転写する工程と、転写後に剥離用シート２１を電解質膜１の転写面から剥離する工程とを少なくとも含む膜電極接合体の製造方法において、少なくとも剥離用シート２１を剥離した後の触媒層２の表面に、表面粗さＲａが剥離用シート２１の表面粗さよりも大きな表面粗さである賦形用シート１１０を圧接させて、転写後の触媒層２の表面に凹凸を賦形する。凹凸が賦形されることで触媒層２の表面では光が乱反射するようになり、撮像用カメラ１３０による撮像が容易となり、画像による外観検査を確実に行うことができるようになる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
剥離用シートの一面に触媒層を有する転写シートを電解質膜に加熱圧接して前記触媒層を前記電解質膜に転写する工程と、転写後に前記剥離用シートを前記電解質膜の前記転写面から剥離する工程と、を少なくとも含む膜電極接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
少なくとも前記剥離用シートを剥離した後の前記触媒層の表面に凹凸を賦形する賦形工程と、
前記賦形工程後の前記電解質膜および前記触媒層に光を照射してその反射光に基づき膜電極接合体の外観検査を行う工程と、
をさらに含むことを特徴とする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、膜電極接合体の製造方法に関し、特に、その外観検査を的確に行い得るようにした膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の主要な構成要素として、膜電極接合体（ＭＥＡ）がある。膜電極接合体は、電解質膜とその両面に積層された触媒層とを少なくとも有する。一方の触媒層はカソード触媒層であり、他方の触媒層はアノード触媒層である。通常、触媒層の電解質膜と反対の面には、必要な場合には撥水層（ＭＰＬ）を介して、拡散層（ＧＤＬ）が積層される。
【０００３】
膜電極接合体の製造方法の一つとして、連続して搬送される帯状の電解質膜上に、触媒層を連続的に転写していく連続的な製造方法が知られており、特許文献１にはその一例が記載されている。また、特許文献２には、そのようにして製造される膜電極接合体の検査方法が記載されており、そこでは、剥離用シートの一面に触媒層を有する転写シートを電解質膜に加熱圧接して触媒層を電解質膜に転写する工程と、転写後に剥離用シートを電解質膜の転写面から剥離する工程とを少なくとも含む膜電極接合体の製造方法において、剥離用シートを剥離した後の触媒層の表面に光を照射して撮像用カメラで撮像し、その撮像画像から触媒層の塗工不良などを検査するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１９５０５３号公報
【特許文献２】特開２０１６−１１５４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、上記したような膜電極接合体の製造方法において、剥離用シートを剥離した後の触媒層の表面に光を照射して撮像用カメラで撮像し、その撮像画像から触媒層の塗工不良などを検査するプロセスに多く携わってきているが、その過程において、得られる撮像画像から触媒層と電解質膜との識別が明確に判別できない場合があることを経験した。その場合、触媒層が持つ塗工不良などの欠陥を瞬時に検出することが困難となり、検査に多くの時間を必要とした。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体の製造方法において求められる、転写後の触媒層の外観検査を、より的確に行い得るようにした膜電極接合体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記の課題を解決すべく、さらに実験と研究を行った。そして、電解質膜に転写された触媒層の外観検査において、触媒層の表面に光を照射し、その反射光に基づき検査用画像を入手するやり方の場合、触媒層の表面が平坦な場合には、光が正反射することから、入射光の方向と撮像用カメラの位置関係によっては、触媒層の表面からの反射光が撮像用カメラに入射し難くなる場合があり、それが、撮像画像において、触媒と電解質膜との識別を困難にしている要因であることを知った。本発明は、その知見に基づいてなされたものである。
【０００８】
本発明による膜電極接合体の製造方法は、剥離用シートの一面に触媒層を有する転写シートを電解質膜に加熱圧接して前記触媒層を前記電解質膜に転写する工程と、転写後に前記剥離用シートを前記電解質膜の前記転写面から剥離する工程と、を少なくとも含む膜電極接合体の製造方法であって、前記製造方法は、少なくとも前記剥離用シートを剥離した後の前記触媒層の表面に凹凸を賦形する賦形工程と、前記賦形工程後の前記電解質膜および前記触媒層に光を照射してその反射光に基づき膜電極接合体の外観検査を行う工程と、をさらに含むことを特徴とする。
【０００９】
なお、限定されないが、凹凸を形成した後の触媒層の表面粗さＲａは、好ましくは、Ｒa≧０．１であり、より好ましくは、Ｒａ＝０．３程度が適切である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による膜電極接合体の製造方法では、剥離用シートを剥離した後の触媒層の表面に凹凸を形成する工程を有している。凹凸が形成されることで、触媒層の表面に照射された光は表面で乱反射（散乱）し、撮像用カメラへの入射をより確実にする。それにより、明瞭な触媒層の画像を得ることができる。また、触媒層と、当該触媒層が転写されている電解質膜との識別も明確となる。結果、触媒層の外観検査を的確に行い得るようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態による膜電極接合体の製造方法をその製造装置と共に説明する第１の図。
【図２】実施の形態による膜電極接合体の製造方法をその製造装置と共に説明する第２の図。
【図３】実施の形態で製造される膜電極接合体に対して光を照射して外観検査をするときの状態を説明する図。
【図４】表面が平滑な触媒層を備えた膜電極接合体の外観を検査をするときの状態を示す図。
【図５】剥離用シートがＰＴＦＥである場合での剥離後の状態の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。
図１〜図３は、本実施の形態による膜電極接合体の製造方法を、その製造装置と共に説明している。本実施の形態で製造される膜電極接合体１００（図２参照）は、長尺状である電解質膜１の一方の面に、所定形状に形成された複数個のカソード触媒層２が所要の間隔をおいて間欠的に形成されてなる構成を少なくとも有する長尺状の膜電極接合体である。本実施の形態において、電解質膜１の他方の面には、長尺状のアノード触媒層３が積層されており、さらに、アノード触媒層３の電解質膜１と反対側の面には、やはり長尺状の撥水層（ＭＰＬ）４と拡散層（ＧＤＬ）５とが積層されている。
【００１３】
この長尺状の膜電極接合体１００に対して、そのカソード触媒層２の電解質膜１と反対側の面に、図示しない長尺状の撥水層（ＭＰＬ）と拡散層（ＧＤＬ）とが積層されることで、帯状の膜電極拡散層積層体とされ、それが所定長に切断されることで、個々の膜電極拡散層積層体とされる。さらに、その両側面を図示しないセパレータで挟持することで、燃料電池セルとされる。
【００１４】
図１に示す例では、長尺状の電解質膜１の一方の面に長尺状のアノード触媒層３と長尺状の撥水層（ＭＰＬ）４と拡散層（ＧＤＬ）５とが積層されてなる第１の積層体１０が予め調製される。また、長尺状の剥離用シート２１の一方の面に所定形状に形成された複数個のカソード触媒層２が所要の間隔をおいて間欠的に形成されてなる転写シートが第２の積層体２０として予め調製される。
【００１５】
第１の積層体１０および第２の積層体２０を構成する各材料は任意であり、従来知られている任意の材料を用いることができる。ただし、剥離用シート２１については、表面粗さＲａが０．１未満、より好ましくは０．０５未満である表面が平滑な材料、例えば、表面粗さＲａ＝０．０３程度のＰＥＴを用いることとする。
【００１６】
図１に示すように、膜電極接合体１００の製造に際し、第２の積層体（転写シート）２０と第１の積層体１０とを、第２の積層体２０に形成されたカソード触媒層（塗工層）２が、第１の積層体１０のアノード触媒層３が積層されていない側の電解質膜１の面に対面した姿勢となるようにして、一対の加熱圧接ロール８０、８０の間を通過させる。
【００１７】
加熱圧接ロール８０、８０の間を通過した帯状の第１の積層体１０と第２の積層体２０との積層体１００ａは、剥離用シート剥離ローラ部９０を通過するときに、積層体１００ａから、第２の積層体（転写シート）２０を構成する剥離用シート２１が剥離除去され、ローラ８１に巻きとられる。剥離用シート２１が剥離除去された積層体１００ｂはロール８２に巻きとられる。
【００１８】
ロール８２に巻きとられた積層体１００ｂは、図１に示すように、長尺状の電解質膜１の一方の面に長尺状のアノード触媒層３と長尺状の撥水層（ＭＰＬ）４と拡散層（ＧＤＬ）５とが積層されており、電解質膜１の他方の面に所定形状に形成された複数個のカソード触媒層２が所要の間隔をおいて間欠的に積層された形状である。そして、各カソード触媒層２の表面粗さは、剥離除去された剥離用シート２１の表面粗さ（例えば、表面粗さＲａ＝０．０３程度）と同じであり、極めて平坦な面である。
【００１９】
本実施の形態において、ロール８２に巻きとられた積層体１００ｂにおけるカソード触媒層２が積層された側の面には、さらに少なくともカソード触媒層２の表面に凹凸を形成する処理が施される。図２は、その処理を行う一態様を装置と共に示している。ここでは、ロール８２に巻きとられた積層体１００ｂはロールから巻き出され、カソード触媒層２が積層された面側が外側面となるようにして、一対の圧接ロール８３、８３間に送られる。また、一対の圧接ロール８３、８３間には、表面粗さが剥離用シート２１の表面粗さよりも大きい長尺状の賦形シート１１０が送られる。賦形シート１１０が一対の圧接ロール８３、８３間を通過するときに、賦形シート１１０は、積層体１００ｂのカソード触媒層２が積層された面側に圧接される。
【００２０】
一対の圧接ロール８３、８３間を通過した後に、賦形シート１１０は、積層体１００ｂの表面から剥離されてロール８４に巻きとられる。賦形シート１１０が剥離除去された後の積層体１００ｂは、長尺状の膜電極接合体１００として、ロール８５に巻きとられる。
【００２１】
長尺状の膜電極接合体１００におけるカソード触媒層２が積層された面側、すなわち、転写されたカソード触媒層２の表面とカソード触媒層２が積層されていない電解質膜１の表面部分には、賦形シート１１０の表面粗さが賦形され、図２の膜電極接合体１００に示すように、その表面は、賦形シート１１０の表面粗さが賦形された凹凸を有した状態となる。
【００２２】
賦形シート１１０の表面粗さＲａは、剥離用シート２１の表面粗さよりも大きいことを条件に特に制限はないが、好ましくは、Ｒａ≧０．１であり、より好ましくは、Ｒａ≧０．２である。Ｒａ＝０．３程度が最も好ましい。このような表面粗さを持つ材料としては、ＰＴＦＥを例示することができる。
【００２３】
図３は、膜電極接合体１００に光を照射して、その外観検査を行う場合の一例を示している。ここでは、膜電極接合体１００の転写されたカソード触媒層２の表面とカソード触媒層２が積層されていない電解質膜１の表面部分に、光源１２０から所定の入射角で方向性のある光が照射される。照射光は、大きな表面粗さ（例えば、Ｒａ＝０．３程度）を持つカソード触媒層２の表面とカソード触媒層２が積層されていない電解質膜１の表面部分において乱反射（散乱）し、多方向に広がる散乱光となる。それにより、撮像用カメラ１３０への入光は確実となり、撮像用カメラ１３０は、電解質膜１の表面部分の画像を確実に得ることができる。また、本来の表面色の差を撮像用カメラ１３０がとらえることが可能となる。結果、撮像用カメラ１３０がとらえた画像により、膜電極接合体１００の外観検査を容易にかつ明確に行うことができるようになる。
【００２４】
図４は、賦形シート１１０による表面粗さ処理（凹凸の賦形処理）を行う前の積層体、すなわち、図１に積層体１００ｂとして示した膜電極接合体に対して、同じようにして光を照射し画像を撮像する場合の一例を示している。前記したように、積層体１００ｂではその表面粗さは、剥離除去された剥離用シート２１の表面粗さと同じであり、極めて平坦な面である。そのために、光源１２０から所定の入射角で照射される照射光は、照射面で正反射し、反射光が撮像用カメラ１３０に入光しないことが起こり得る。
【００２５】
一方、第２の積層体（転写シート）を構成する剥離用シート２１として、表面粗さの大きいシートを用いる場合には、図１に示した積層体１００ｂのままで、そこに形成された転写後のカソード触媒層２の表面とカソード触媒層２が積層されていない電解質膜１の表面部分は、大きな表面粗さを有することとなり、そのままで、表面での十分な乱反射が得られる。しかし、表面粗さＲａ＝０．３のような大きな表面粗さを持つシート（例えば、ＰＴＦＥシート）を剥離用シート２１として用いる場合には、図５に示すように、剥離用シート２１の凹凸部内に触媒層２を形成する触媒インク２ａの一部が入り込み、かつアンカー効果によって剥離用シート２と共に、持ち去られることが起こり得る。この場合、触媒層２は欠陥を含むものとなるので、好ましくない。
【００２６】
また、一般に、ＰＴＦＥはＰＥＴと比較して高価であり、本実施の形態のように、剥離用シート２１としてより安価なＰＥＴを用いることは、コスト的に有利である。本実施の形態では、剥離用シート２１としてのＰＥＴに加えて、賦形シート１１０としてＰＴＦＥをも用いることとなるが、ＰＴＦＥは単に圧接のみであり、繰り返し使用が可能であるために、大きなコスト負担にはならない。
【実施例】
【００２７】
［実施例］
図１〜図３に基づき説明した製造方法により、膜電極接合体を製造した。第２の積層体２０を構成する剥離用シート２１としては、表面粗さＲａ＝０．０３のＰＥＴを用い、賦形シート１１０としては、表面粗さＲａ＝０．３のＰＴＦＥを用いた。
【００２８】
製造に当たり、図１に示した、第２の積層体（転写シート）２０と第１の積層体１０とを重ね合わせて一対の加熱圧接ロール８０、８０の間を通過させるときの搬送速度を１〜１０／ｍｉｎの範囲で、また、図２に示した、積層体１００ｂと賦形シート１１０とを重ね合わせて圧接ロール８３、８３間を通過させるときの搬送速度を１〜１０／ｍｉｎの範囲で、それぞれ変化させた。また、一対の加熱圧接ロール８０、８０の温度を８０〜１８０℃の範囲で変化させた。さらに、熱プレス時および圧接ロール８３、８３通過時の圧力も２〜１０ｋＮの範囲で変化させた。そのようにして条件を変化させて、複数個の膜電極接合体１００を製造した。
【００２９】
［調査項目］
（調査１）製造後の膜電極接合体１００における転写後のカソード触媒層２の表面を図３に示すようにして撮像用カメラ１３０により撮像した。撮像された画像と実際のカソード触媒層２の表面とを目視により比較して、撮像画像の誤検出率（実際のカソード触媒層２の表面を正しく映していない撮像画像の割合）を検出した。その結果を表１に示した。
（調査２）さらに、第２の積層体（転写シート）２０に予め形成されていたカソード触媒層２の全部が製造後の膜電極接合体１００におけるカソード触媒層２として転写されたかどうかを目視により観察し、すべてが転写されていなかった（不十分な転写であった）製造後の膜電極接合体１００の割合を検出した。その結果を表１に示した。
【００３０】
［比較例１］
実施例と同じ第１の積層体１０と第２の積層体（転写シート）２０とを用い、実施例と同じ条件のもとで、図１に示したようにして、積層体１００ｂを膜電極接合体として製造した。製造した膜電極接合体（積層体１００ｂ）について、実施例と同じ調査１と調査２を行った。その結果を表１に示した。
【００３１】
［比較例２］
第１の積層体１０として実施例と同じものを用いた。第２の積層体（転写シート）２０としては、剥離用シート２１として、表面粗さＲａ＝０．３のＰＴＦＥを用いた。第１の積層体１０と第２の積層体（転写シート）２０とを重ね合わせ、実施例と同じ条件のもとで、図１に示したようにして、積層体１００ｂを膜電極接合体として製造した。製造した膜電極接合体（積層体１００ｂ）について、実施例と同じ調査１と調査２を行った。その結果を表１に示した。
【００３２】
【表１】
2020027755.tif 000003
【００３３】
［考察］
実施例品では、撮像画像の誤検出の割合および不十分な転写の割合は共に０％であり、本発明の優位性が示された。比較例１では、撮像画像の誤検出の割合が１００％であった。これは、賦形シート１１０（表面粗さＲａ＝０．３のＰＴＦＥ）によるカソード触媒層２への凹凸賦形処理を行っていないためと推測できる。比較例２では、撮像画像の誤検出の割合は０％であったが、不十分な転写のものが３％存在した。これは、第２の積層体（転写シート）２０の剥離用シート２１として、表面粗さＲａ＝０．３のＰＴＦＥを用いたために、剥離用シート２１の剥離時に、カソード触媒層用のインクの一部が剥離用シート２１側に持ち去られた結果と推測される。
【００３４】
［他の実施の形態］
なお、上記の実施の形態では、第２の積層体２０として、剥離用シート２１とカソード触媒層２の塗工層とからなるものを例示したが、第２の積層体２０は剥離用シート２１とアノード触媒層３の塗工層からなるものであってもよい。その場合、第１の積層体１０側にカソード触媒層２の塗工層が形成される。
【００３５】
また、第１の積層体１０として、長尺状の電解質膜１の一方の面に長尺状のアノード触媒層３と長尺状の撥水層（ＭＰＬ）４と拡散層（ＧＤＬ）５とが積層されてなる第１の積層体１０を例示したが、第１の積層体１０は、電解質膜と他方の触媒層のみの積層体であってもよいし、電解質膜単独であってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１００…膜電極接合体、
１…長尺状の電解質膜、
２…カソード触媒層、
２ａ…触媒インク、
３…アノード触媒層、
４…撥水層、
５…拡散層、
１０…第１の積層体、
２０…第２の積層体（転写シート）、
２１…剥離用シート、
９０…剥離用シート剥離部、
１００ａ，１００ｂ…第１の積層体と第２の積層体（転写シート）との積層体、
１１０…賦形シート、
１２０…光源、
１３０…撮像用カメラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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