(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を準備する準備し、
バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内において、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に、前記高分子電解質膜から基材を剥離し、
前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する、
ことを含む、膜−触媒層接合体の製造方法。
【請求項２】
一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を搬送方向に搬送する搬送装置と、
前記高分子電解質膜が掛け回されるバックアップロールと、
前記バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内に、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に配置され、前記高分子電解質膜から前記基材を剥離する剥離ロールと、
前記剥離ロールよりも前記搬送方向の下流側で前記バックアップロールと対向するように配置され、前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布装置と、
を備える、膜−触媒層接合体の製造装置。
【請求項３】
前記高分子電解質膜を前記バックアップロールに向けて押圧するニップロールをさらに備える、請求項２に記載の膜−触媒層接合体の製造装置。
【請求項４】
前記剥離ロールは、前記ニップロールよりも前記搬送方向の下流側に設けられている、請求項３に記載の膜−触媒層接合体の製造装置。
【請求項５】
前記剥離ロールは、前記ニップロールに対して前記搬送方向の上流側で隣接するように設けられている、請求項３に記載の膜−触媒層接合体の製造装置。
【請求項６】
前記剥離ロールは、前記高分子電解質膜から前記基材を剥離するとともに、前記高分子電解質膜を前記バックアップロールに向けて押圧する単一のロール部材を備える、請求項２に記載の膜−触媒層接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、携帯型電子機器、自動車などの移動体、分散発電システム及び家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動電源として使用される燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱と水とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトやバンドなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。
【０００４】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層はそれぞれ、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。ここでは、高分子電解質膜と触媒層との接合体を膜−触媒層接合体（ＣＣＭ:Catalyst-coated membrane）という。前記アノード電極に燃料ガスが接触すると共に前記カソード電極に酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱と水とが発生する。
【０００５】
燃料電池の性能を向上させるには、膜電極接合体の製造方法の最適化を図ることが有効であると考えられている。特に、高分子電解質膜上に触媒層を形成する工程は、燃料電池の性能や耐久性に大きな影響を与えると考えられている。
【０００６】
高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法としては、例えば、高分子電解質膜上に触媒含有インクを直接印刷又は塗布する方法が知られている。この方法は、高分子電解質膜と触媒層との界面抵抗を極めて低くすることができることから、理想的な膜−触媒層接合体の製造方法として注目されている。
【０００７】
しかしながら、前記方法に用いる触媒含有インクには多量の溶媒が通常含まれているので、当該溶媒が高分子電解質膜に浸透して、高分子電解質膜が膨張し、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生するという課題がある。シワやピンホールが発生した場合、高分子電解質膜の寸法が変化して後工程での取扱いが難しくなる。また、シワやピンホールが発生した高分子電解質膜を用いて製造した燃料電池は、当該シワやピンホールが発生した部分に電圧が集中して高分子電解質膜が破損するなどの問題が発生しやすく、耐久性が低い。
【０００８】
高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することを抑える従来の膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置として、例えば、図８及び図９Ａ〜図９Ｇに示すような製造方法及び製造装置がある（例えば、特許文献１：特開２００２−２８９２０７号公報、特許文献２：特開２０１１−１６５４６０号公報参照）。以下、従来の膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置について、図８及び図９Ａ〜図９Ｇを用いて説明する。
【０００９】
まず、図９Ａに示すように、高分子電解質膜１０１の一方の面（以下、第１面という）に第１形状保持フィルム１０２が貼り付けられ、高分子電解質膜１０１の他方の面（以下、第２面という）に第２形状保持フィルム１０３が貼り付けられた高分子フィルム１１０ａを準備する。
【００１０】
次いで、図９Ａに示す高分子フィルム１１０ａを、第２形状保持フィルム１０３を内側にして供給ロール１１１に巻回し、図８に示すように、バックアップロール１１２に掛け回されて巻取りロール１１８に巻き取られるように高分子フィルム１１０ａをセットする。
【００１１】
次いで、巻取りロール１１８のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１１０ａを供給ロール１１１から巻取りロール１１８に向けて連続的に送る送り動作を行う。
【００１２】
次いで、前記送り動作により剥離ロール１１２上に位置した高分子フィルム１１０ａから、剥離ロール１１２によって第１形状保持フィルム１０２を剥離して、図９Ｂに示す高分子フィルム１１０ｂを作成する。
【００１３】
次いで、前記送り動作によりバックアップロール１１３上に位置した高分子フィルム１１０ｂに、第１触媒インクを供給ポンプ１１４ｂからダイ１１４ａを通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１０１の第１面に第１触媒インクが塗布される。
【００１４】
次いで、前記送り動作により乾燥装置１１５内に送られた第１触媒インク塗布済みの高分子フィルム１１０ｂを乾燥装置１１５により加熱する。これにより、第１触媒インクが乾燥されて第１触媒層１０４ａが形成され、図９Ｃに示す高分子フィルム１１０ｃが作成される。
【００１５】
次いで、前記送り動作により形状保持フィルム供給装置１１６の下方に送られた図９Ｃに示す高分子フィルム１１０ｃの第２面上に、形状保持フィルム供給装置１１６により第３形状保持フィルム１０５を供給する。
【００１６】
次いで、貼付装置１１７の貼付ロール１１７ａ，１１７ｂにより、高分子フィルム１１０ｃと第３形状保持フィルム１０５とを貼り付ける。これにより、図９Ｄに示す高分子フィルム１１０ｄが作成される。
【００１７】
次いで、前記送り動作が継続して行われることにより、図９Ｄに示す高分子フィルム１１０ｄが巻取りロール１１８に巻き取られる。
【００１８】
次いで、図９Ｄに示す高分子フィルム１１０ｄを、第３形状保持フィルム１０５を内側にして供給ロール１１１に巻回し、図８に示すように、バックアップロール１１３に掛け回されて巻取りロール１１８に巻き取られるように高分子フィルム１１０ｄをセットする。
【００１９】
次いで、巻取りロール１１８のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１１０ｄを供給ロール１１１から巻取りロール１１８に向けて連続的に送る送り動作を行う。
【００２０】
次いで、前記送り動作により剥離ロール１１２上に送られた高分子フィルム１１０ｄから、剥離ロール１１２によって第２形状保持フィルム１０３を剥離して、図９Ｅに示す高分子フィルム１１０ｅを作成する。
【００２１】
次いで、前記送り動作によりバックアップロール１１３上に位置した高分子フィルム１１０ｅに、第２触媒インクを供給ポンプ１１４ｂからダイ１１４ａを通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１０１の第２面に第２触媒インクが塗布される。
【００２２】
次いで、前記送り動作により乾燥装置１１５内に送られた第２触媒インク塗布済みの高分子フィルム１１０ｅを乾燥装置１１５により加熱する。これにより、第２触媒インクが乾燥されて第２触媒層１０４ｂが形成され、図９Ｆに示す高分子フィルム１１０ｆが作成される。
【００２３】
次いで、前記送り動作により形状保持フィルム供給装置１１６の下方に送られた図９Ｆに示す高分子フィルム１１０ｆの第２面上に、形状保持フィルム供給装置１１６により第４形状保持フィルム１０６を供給する。
【００２４】
次いで、貼付装置１１７の貼付ロール１１７ａ，１１７ｂにより、高分子フィルム１１０ｆと第４形状保持フィルム１０６とを貼り付ける。これにより、図９Ｇに示す高分子フィルム１１０ｇが作成される。
【００２５】
次いで、前記送り動作が継続して行われることにより、図９Ｇに示す高分子フィルム１１０ｇが巻取りロール１１８に巻き取られる。
【００２６】
前記従来の製造方法及び製造装置によれば、第２形状保持フィルム１０３により高分子電解質膜１０１の形状を保持した状態で第１触媒含有インクを塗布するようにしているので、高分子電解質膜１０１にシワやピンホールが発生することを抑えることができる。また、第３形状保持フィルム１０５により高分子電解質膜１０１の形状を保持した状態で第２触媒含有インクを塗布するようにしているので、高分子電解質膜１０１にシワやピンホールが発生することを抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００２−２８９２０７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６５４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、前記従来の製造方法及び製造装置によっても、高分子電解質膜のシワやピンホールを十分に抑えることができず、高分子電解質膜に所望の許容レベルを超えるシワやピンホールが発生することがあった。
【００２９】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより一層抑えることができる膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明によれば、一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を準備し、
バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内において、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に、前記高分子電解質膜から基材を剥離し、
前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する、
ことを含む、膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。
【００３１】
本発明によれば、一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を搬送方向に搬送する搬送装置と、
前記高分子電解質膜が掛け回されるバックアップロールと、
前記バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内に、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に配置され、前記高分子電解質膜から前記基材を剥離する剥離ロールと、
前記剥離装置よりも前記搬送方向の下流側で前記バックアップロールと対向するように配置され、前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布装置と、
を備える、膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明にかかる膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置によれば、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより一層抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図２Ａ】高分子電解質膜の第１面に第１形状保持フィルムを貼り付け、高分子電解質膜の第２面に第２形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す状態から、第１形状保持フィルムを剥離した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに示す状態からさらに、高分子電解質膜の第１面に第１触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｃに示す状態からさらに、第１触媒層を形成した高分子電解質膜の第１面に第３形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｄに示す状態から、第２形状保持フィルムを剥離した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｅに示す状態からさらに、高分子電解質膜の第２面に第２触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｆに示す状態からさらに、第２触媒層を形成した高分子電解質膜の第２面に第４形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図３】図１に示す膜−触媒層接合体の製造装置の一部拡大図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】図４に示す膜−触媒層接合体の製造装置の一部拡大図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図７】図６の膜−触媒層接合体の製造装置の変形例を示す説明図である。
【図８】従来の膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図９Ａ】高分子電解質膜の第１面に第１形状保持フィルムを貼り付け、高分子電解質膜の第２面に第２形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す状態から、第１形状保持フィルムを剥離した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｂに示す状態からさらに、高分子電解質膜の第１面に第１触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｃに示す状態からさらに、第１触媒層を形成した高分子電解質膜の第１面に第３形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｄに示す状態から、第２形状保持フィルムを剥離した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｆ】図９Ｅに示す状態からさらに、高分子電解質膜の第２面に第２触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【図９Ｇ】図９Ｆに示す状態からさらに、第２触媒層を形成した高分子電解質膜の第２面に第４形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の発明者らは、前記従来の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見出した。
【００３５】
従来の膜−触媒層接合体の製造装置において、剥離ロール１１２とバックアップロール１１３との間に位置する高分子電解質膜１０１は、図９Ｂに示すように、第１形状保持フィルム１０２が剥離されて第１面が露出した状態にあるか、もしくは、図９Ｅに示すように、第２形状保持フィルム１０３が剥離されて第２面が露出した状態にある。
【００３６】
図９Ｂに示すように、高分子電解質膜１０１の第１面が露出した状態にあるとき、高分子電解質膜１０１は、第２形状保持フィルム１０３により形状を保持された状態にある。しかしながら、高分子電解質膜１０１は、第２形状保持フィルム１０３との接着が十分ではない部分を有する場合がある。当該部分については、高分子電解質膜１０１は第２形状保持フィルム１０３によって形状を保持されないので、シワやピンホールが発生しやすくなる。
【００３７】
また、図９Ｅに示すように、高分子電解質膜１０１の第２面が露出した状態にあるとき、高分子電解質膜１０１は、第３形状保持フィルム１０５により形状を保持された状態にある。しかしながら、第１触媒層１０４ａと第３形状保持フィルム１０５とは、それらに用いる材料の性質上、接着することが困難である。このため、第１触媒層１０４ａと重なる部分については、高分子電解質膜１０１は第３形状保持フィルム１０５によって形状を保持されないので、シワやピンホールが発生しやすくなる。
【００３８】
また、従来の膜−触媒層接合体の製造装置においては、剥離ロール１１２とバックアップロール１１３との間には、一般に計測ゾーンやフィルムの接続ゾーンなどを通常配置するため、剥離ロール１１２とバックアップロール１１３とは、通常２〜３ｍ程度離して配置されている。このため、高分子電解質膜１０１の露出面が空気中の水分に触れる時間が長く（例えば、２〜３分）なっている。
【００３９】
本発明の発明者らは、高分子電解質膜１０１の一部が第２又は第３形状保持フィルム１０３，１０５に形状を保持されていない状態で空気中の水分に触れる時間が長いことが、高分子電解質膜１０１のシワやピンホールの主な原因であることを見出した。これらの知見に基づき、本発明の発明者らは、本発明に想到した。
【００４０】
本発明の第１態様によれば、一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を準備し、
バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内において、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に、前記高分子電解質膜から基材を剥離し、
前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する、
ことを含む、膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。
【００４３】
本発明の第２態様によれば、一方の面に基材が形成された高分子電解質膜を搬送方向に搬送する搬送装置と、
前記高分子電解質膜が掛け回されるバックアップロールと、
前記バックアップロールに前記高分子電解質膜が掛け回される領域内に、又は前記高分子電解質膜が前記高分子電解質膜の厚み方向に圧力が加わる領域内に搬送される直前に配置され、前記高分子電解質膜から前記基材を剥離する剥離ロールと、
前記剥離ロールよりも前記搬送方向の下流側で前記バックアップロールと対向するように配置され、前記基材が剥離されて露出した前記高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒インク塗布装置と、
を備える、膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【００４４】
本発明の第３態様によれば、前記高分子電解質膜を前記バックアップロールに向けて押圧するニップロールをさらに備える、第２態様に記載の膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【００４５】
本発明の第４態様によれば、前記剥離ロールは、前記ニップロールよりも前記搬送方向の下流側に設けられている、第３態様に記載の膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【００４６】
本発明の第５態様によれば、前記剥離ロールは、前記ニップロールに対して前記搬送方向の上流側で隣接するように設けられている、第３態様に記載の膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【００４７】
本発明の第６態様によれば、前記剥離ロールは、前記高分子電解質膜から前記第１基材を剥離するとともに、前記高分子電解質膜を前記バックアップロールに向けて押圧する単一のロール部材を備える、第２態様に記載の膜−触媒層接合体の製造装置を提供する。
【００４８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。本第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に用いられるものである。
【００５０】
図１において、本第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置は、供給ロール１１と、ニップロール１２ａと、剥離ロール１２ｂと、バックアップロール１３と、触媒インク塗布装置１４と、乾燥装置１５と、形状保持フィルム供給装置１６と、貼付装置１７と、巻取りロール１８とを備えている。
【００５１】
供給ロール１１には、高分子フィルム１０が巻回されている。本第１実施形態において、高分子フィルム１０とは、図２Ａ〜図２Ｇのいずれかに示す構造を有する高分子フィルム１０ａ〜１０ｇをいう。図２Ｃに示すように高分子電解質膜１の一方の面（以下、第１面という）に触媒層４ａを形成する場合、供給ロール１１には、図２Ａに示す構造を有する高分子フィルム１０ａが巻回される。すなわち、供給ロール１１には、高分子電解質膜１の第１面に第１形状保持フィルム２を貼り付け、高分子電解質膜１の他方の面（以下、第２面という）に第２形状保持フィルム３を貼り付けた構造を有する高分子フィルム１０ａが巻回される。また、図２Ｆに示すように高分子電解質膜１の第２面に触媒層４ｂを形成する場合、供給ロール１１には、図２Ｄに示す構造を有する高分子フィルム１０ｄが巻回される。すなわち、供給ロール１１には、高分子電解質膜１の第１面に触媒層４ａを覆うように第３形状保持フィルム５を貼り付け、高分子電解質膜１の第２面に第２形状保持フィルム３を貼り付けた構造を有する高分子フィルム１０ｄが巻回される。
【００５２】
高分子電解質膜１は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）など）を使用することができる。高分子電解質膜１は、通常、非常に薄く且つ少しの湿気でも変形し易い部材である。このため、本第１実施形態においては、取扱い性の向上と高分子電解質膜のシワやピンホールの更なる抑制のため、高分子電解質膜１の第１面に第１形状保持フィルム２又は第３形状保持フィルム５を貼り付け、高分子電解質膜１の第２面に第２形状保持フィルム３又は第４形状保持フィルム６を貼り付けるようにしている。
【００５３】
第１〜第４形状保持フィルム２，３，５，及び６としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、フッ素樹脂などを用いることができる。第１〜第４形状保持フィルム２，３，５，及び６は、ラミネート加工時に熱変形しない耐熱性を有するフィルムであればよい。
【００５４】
供給ロール１１から引き出された高分子フィルム１０は、バックアップロール１３に掛け回され、巻取りロール１８に巻き取られる。巻取りロール１８は、図示しないモータを備え、当該モータの駆動力により連続的に回転することで、高分子フィルム１０を連続的に巻き取る。本第１実施形態においては、後述するように高分子フィルム１０が供給ロール１１から引き出されて巻取りロール１８に巻き取られるまでの間に、高分子電解質膜１の第１面に触媒層４ａが形成され、高分子電解質膜１の第２面に触媒層４ｂが形成されるようにしているので、膜−触媒層接合体の大量生産が可能である。なお、本第１実施形態においては、供給ロール１１と巻取りロール１８により、高分子電解質膜１を搬送方向Ｘに搬送する搬送装置の一例が構成されている。
【００５５】
ニップロール１２ａは、高分子フィルム１０をバックアップロール１３に押圧可能に設けられている。ニップロール１２ａが、図２Ａに示す高分子フィルム１０ａをバックアップロール１３に押圧することにより、高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とが密着され、第２形状保持フィルム３による高分子電解質膜１の形状保持力が強化される。また、ニップロール１２ａが、図２Ｄに示す高分子フィルム１０ｄをバックアップロール１３に押圧することにより、第１触媒層４ａ（又は高分子電解質膜１）と第３形状保持フィルム５とが密着され、第３形状保持フィルム５による高分子電解質膜１の形状保持力が強化される。
【００５６】
剥離ロール１２ｂは、バックアップロール１３の近傍で且つニップロール１２ａよりも搬送方向Ｘの下流側に設けられている。また、剥離ロール１２ｂは、バックアップロール１３に沿って搬送される高分子フィルム１０ａから第１形状保持フィルム２を剥離可能に設けられるとともに、バックアップロール１３に沿って搬送される高分子フィルム１０ｄから第２形状保持フィルム３を剥離可能に設けられている。剥離ロール１２ｂにより剥離された第１及び第２形状保持フィルム２，３は、形状保持フィルム巻取ロール１９に巻き取られる。
【００５７】
バックアップロール１３は、例えば、直径が３００ｍｍに設定された円柱形の部材である。高分子フィルム１０がバックアップロール１３に掛け回されたとき、高分子フィルム１０には、図３に矢印で示すように、高分子フィルム１０の厚み方向に垂直抗力が働く。この垂直抗力により、高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とが密着され、第２形状保持フィルム３により高分子電解質膜１の形状が保持される。また、前記垂直抗力により、第１触媒層４ａと第３形状保持フィルム５とが密着され、第３形状保持フィルム５により高分子電解質膜１の形状が保持される。
【００５８】
触媒インク供給装置１４は、剥離装置１２よりも搬送方向Ｘの下流側でバックアップロール１３と対向するように配置されたダイ１４ａを備えている。ダイ１４ａには、供給ポンプ１４ｂが接続されている。ダイ１４ａは、供給ポンプ１４ｂから供給された触媒層形成用の触媒インクを、高分子フィルム１０のバックアップロール１３と接触する部分に向けて吐出（塗布）可能に構成されている。
【００５９】
触媒インクは、白金系金属触媒を担持したカーボン微粒子を溶媒で混合したインクである。金属触媒としては、例えば、プラチナ、ルテニウム、ロジウム及びイリジウムなどを用いることができる。カーボン粉末としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックなどを用いることができる。溶媒としては、水、エタノール、n-プロパノール及びｎ−ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系及びフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。白金系金属触媒インクの溶媒を乾燥することで、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする第１及び第２触媒層４ａ，４ｂを形成することができる。
【００６０】
乾燥装置１５は、バックアップロール１３よりも搬送方向Ｘの下流側において、高分子フィルム１０を包囲するように配置されている。乾燥装置１５は、ダイ１４ａから高分子電解質膜１に向けて吐出された第１及び第２触媒インクを乾燥させる装置である。第１及び第２触媒インクを乾燥することにより、第１及び第２触媒層４ａ，４ｂが形成される。乾燥装置１５としては、例えば、対流式熱風乾燥装置を用いることができる。
【００６１】
形状保持フィルム供給装置１６は、乾燥装置１５よりも搬送方向Ｘの下流側に配置されている。形状保持フィルム供給装置１６は、乾燥装置１５により作成された図２Ｃに示す高分子フィルム１０ｃの第１面に第３形状保持フィルム５を供給する装置である。また、形状保持フィルム供給装置１６は、乾燥装置１５により作成された図２Ｆに示す高分子フィルム１０ｆの第２面に第４形状保持フィルム６を供給する装置である。
【００６２】
貼付装置１７は、形状保持フィルム供給装置１６よりも搬送方向Ｘの下流側に配置されている。貼付装置１７は、一組の貼付ロール１７ａ，１７ｂを備えている。貼付ロール１７ａ，１７ｂは、例えば、直径が２００ｍｍの円柱形の部材である。貼付ロール１７ａ，１７ｂは、それらの間に高分子フィルム１０が供給されたとき、互いに接近して高分子フィルム１０に所定の圧力及び熱を加えることができるように構成されている。
【００６３】
次に、本実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法について説明する。
【００６４】
まず、図２Ａに示すように高分子電解質膜１の第１面に第１形状保持フィルム（基材）２が貼り付けられ、高分子電解質膜１の第２面に第２形状保持フィルム３が貼り付けられた高分子フィルム１０ａを準備する（準備工程）。
【００６５】
次いで、図２Ａに示す高分子フィルム１０ａを、第２形状保持フィルム３を内側にして供給ロール１１に巻回し、図１に示すように、バックアップロール１３に掛け回されて巻取りロール１８に巻き取られるように高分子フィルム１０ａをセットする。
【００６６】
次いで、巻取りロール１８のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１０ａを供給ロール１１から巻取りロール１８に向けて連続的に送る送り動作を行う。
【００６７】
次いで、前記送り動作によりニップロール１２ａとバックアップロール１３との間に搬送された高分子フィルム１０ａをニップロール１２ａで押圧することにより、高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とを密着させる（密着工程）。なお、高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とが密着した状態は、前述した垂直抗力により、高分子フィルム１０がバックアップロール１３上を搬送される間、維持される。高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とが密着することにより、第２形状保持フィルム３が高分子電解質膜１の全体の形状を保持し、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生しにくくなる。
【００６８】
次いで、前記送り動作により剥離ロール１２ｂ上に位置した高分子フィルム１０ａから、剥離ロール１２ｂによって第１形状保持フィルム２を剥離して、図２Ｂに示す高分子フィルム１０ｂを作成する。剥離ロール１２ｂにより剥離された第１形状保持フィルム２は、形状保持フィルム巻取ロール１９に巻き取られる。
【００６９】
次いで、前記送り動作によりバックアップロール１３上に位置した高分子フィルム１０ｂに、第１触媒インクを供給ポンプ１４ｂからダイ１４ａを通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１の第１面に第１触媒インクが塗布される。
【００７０】
次いで、前記送り動作により乾燥装置１５内に送られた第１触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ｂを乾燥装置１５により加熱する。これにより、第１触媒インクが乾燥されて第１触媒層４ａが形成され、図２Ｃに示す高分子フィルム１０ｃが作成される（触媒層形成工程）。
【００７１】
次いで、前記送り動作により形状保持フィルム供給装置１６の下方に送られた図２Ｃに示す高分子フィルム１０ｃの第１面上に、形状保持フィルム供給装置１６により第３形状保持フィルム５を供給する。
【００７２】
次いで、貼付ロール１７ａ，１７ｂにより、高分子フィルム１０ｃと第３形状保持フィルム５とを貼り付ける。これにより、図２Ｄに示す高分子フィルム１０ｄが作成される。
【００７３】
次いで、前記送り動作が継続して行われることにより、図２Ｄに示す高分子フィルム１１０ｄが巻取りロール１８に巻き取られる。
【００７４】
次いで、図２Ｄに示す高分子フィルム１０ｄを、第３形状保持フィルム（第２基材）５を内側にして供給ロール１１に巻回し、図１に示すように、バックアップロール１３に掛け回されて巻取りロール１８に巻き取られるように高分子フィルム１０ｄをセットする。
【００７５】
次いで、巻取りロール１８のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１０ｄを供給ロール１１から巻取りロール１８に向けて連続的に送る送り動作を行う。
【００７６】
次いで、前記送り動作によりニップロール１２ａとバックアップロール１３との間に搬送された高分子フィルム１０ｄをニップロール１２ａで押圧することにより、高分子電解質膜１と第３形状保持フィルム５とを密着させる（密着工程）。なお、高分子電解質膜１と第３形状保持フィルム５とが密着した状態は、前述した垂直抗力により、高分子フィルム１０がバックアップロール１３上を搬送される間、維持される。高分子電解質膜１と第３形状保持フィルム５とが密着することにより、第３形状保持フィルム５が高分子電解質膜１の全体の形状を保持し、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生しにくくなる。
【００７７】
次いで、前記送り動作により剥離ロール１２ｂ上に位置した高分子フィルム１０ｄから、剥離ロール１２ｂによって第２形状保持フィルム（基材）３を剥離して、図２Ｅに示す高分子フィルム１０ｅを作成する。
【００７８】
次いで、前記送り動作によりバックアップロール１３上に位置した高分子フィルム１０ｅに、第２触媒インクを供給ポンプ１４ｂからダイ１４ａを通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１の第２面に第２触媒インクが塗布される。
【００７９】
次いで、前記送り動作により乾燥装置１５内に送られた第２触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ｅを乾燥装置１５により加熱する。これにより、第２触媒インクが乾燥されて第２触媒層４ｂが形成され、図２Ｆに示す高分子フィルム１０ｆが作成される（触媒層形成工程）。
【００８０】
次いで、前記送り動作により形状保持フィルム供給装置１６の下方に送られた図２Ｆに示す高分子フィルム１０ｆの第２面上に、形状保持フィルム供給装置１６により第４形状保持フィルム６を供給する。
【００８１】
次いで、貼付ロール１７ａ，１７ｂにより、高分子フィルム１０ｆと第４形状保持フィルム６とを貼り付ける。これにより、図２Ｇに示す高分子フィルム１０ｇが作成される。
【００８２】
次いで、前記送り動作が継続して行われることにより、図２Ｇに示す高分子フィルム１１０ｇが巻取りロール１８に巻き取られる。これにより、本第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体が製造される。
【００８３】
本第１実施形態によれば、高分子電解質膜１と第２形状保持フィルム３とを密着させた状態で、第１形状保持フィルム２を剥離し、第１触媒層４ａを形成するようにしているので、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生することを抑えることができる。また、本第１実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜１と第３形状保持フィルム５とを密着させた状態で、第２形状保持フィルム３を剥離し、第２触媒層４ｂを形成するようにしているので、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生することを抑えることができる。
【００８４】
また、本第１実施形態によれば、バックアップロール１３の近傍に剥離ロール１２ｂを配置しているので、バックアップロール１３にロール・ツー・ロールのテンションの張った状態で、高分子電解質膜１の露出面を固定でき、さらに、高分子電解質膜１の露出面が空気中の水分に触れる時間を短くすることができる。従って、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生することをより一層抑えることができる。
【００８５】
なお、本発明は前記第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、高分子電解質膜１と第２又は第３形状保持フィルム３、５とを密着させるために、ニップロール１２ａにより高分子フィルム１０ａ，１０ｄをバックアップロール１３に対して押圧するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、バックアップロール１３に吸引機能を持たせ、高分子フィルム１０ａ，１０ｄをバックアップロール１３の中心に向けて吸引することにより、高分子電解質膜１と第２又は第３形状保持フィルム３、５とを密着させるようにしてもよい。この場合、例えば、高分子フィルム１０ａ，１０ｄを押圧する機能を有するニップロール１２ａに代えて、高分子フィルム１０ａ，１０ｄに接触するだけの機能を有するタッチロールを用いることができる。
【００８６】
なお、バックアップロール１３の吸引機能により、高分子フィルム１０ａ，１０ｄをバックアップロール１３に吸引させる場合、第２及び第３形状保持フィルム３，５は、通気性を有する部材である必要がある。従来、形状保持フィルムは、空気を透過しない部材であることが一般的である。第２又は第３形状保持フィルムとして空気を透過しない部材を用いた場合には、例えば、高分子フィルム１０ａ，１０ｄがバックアップロール１３に到達する前に、第２又は第３形状保持フィルム３，５を剥離し、紙などの通気性を有する部材（第２基材）に貼り替えるようにすればよい。
【００８７】
また、ニップロール１２ａを設けなくても、高分子フィルム１０をバックアップロール１３に掛け回すことにより、高分子電解質膜１の厚み方向に前記垂直抗力を加えることができるので、高分子電解質膜１と第２又は第３形状保持フィルム３，５とを密着させ、高分子電解質膜１の形状を保持することができる。
【００８８】
また、高分子電解質膜１には、必ずしも第２又は第３形状保持フィルム３，５を設ける必要はなく、高分子電解質膜１とバックロール１３とが直接接触するようにしてもよい。この場合でも、高分子電解質膜１をバックアップロール１３に掛け回すことにより、高分子電解質膜１の厚み方向に前記垂直抗力を加えることができるので、高分子電解質膜１とバックアップロール１３とを密着させ、高分子電解質膜１の形状を保持することができる。
【００８９】
なお、本明細書では、高分子電解質膜１の形状が保持される領域を形状保持領域という。本第１実施形態において、形状保持領域は、高分子フィルム１０とバックアップロール１３とが接して、高分子電解質膜１の厚み方向に力が加わる領域である。
【００９０】
《第２実施形態》
図４は、本発明の第２実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。本第２実施形態の製造装置が、前記第１実施形態の製造装置と異なる点は、ニップロール１２ａと剥離ロール１２ｂに代えて、それらの両方の機能を有する単一のロール部材である剥離圧着ロール１２ｃを備えていることである。言い換えれば、本第２実施形態の製造装置では、剥離工程と圧着工程とを重複して（同時に）行うようにしている。
【００９１】
本第２実施形態によれば、剥離圧着ロール１２ｃがニップロール１２ａと剥離ロール１２ｂの両方の機能を有するので、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、部品点数を少なくすることができ、装置の低コスト化及び小型化を実現することができる。
【００９２】
なお、図５に示すように、高分子フィルム１０を押圧する力は矢印Ａ１方向に働く一方で、第１又は第２形状保持フィルム２，３を剥離する力は、矢印Ａ１方向に対して反対方向である矢印Ｂ１方向に働く。このため、本第２実施形態のように高分子フィルム１０の押圧と第１又は第２形状保持フィルム２，３の剥離の両方を剥離圧着ロール１２ｃにより行う場合には、高分子フィルム１０を押圧する力が前記第１実施形態に比べて弱くなる点に留意すべきである。
【００９３】
《第３実施形態》
図６は、本発明の第３実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す説明図である。本第３実施形態の製造装置が、前記第２実施形態の製造装置と異なる点は、剥離ロール１２ｂを、ニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの下流側に設けるのではなく、ニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側で隣接するように設けている点である。
【００９４】
ニップロール１２ａが図２Ｂに示す高分子フィルム１０ｂをバックアップロール１２に押圧したとき、高分子フィルム１０ｂはバックアップロール１２に向けて凸状に撓む。この高分子フィルム１０ｂの撓みにより、ニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側においても、高分子電解質膜１のニップロール１２ａの近傍部分は、第２形状保持フィルム３に形状を保持され、シワやピンホールが生じにくい状態にある。
【００９５】
同様に、ニップロール１２ａが図２Ｆに示す高分子フィルム１０ｆをバックアップロール１２に押圧したとき、高分子フィルム１０ｆはバックアップロール１２に向けて凸状に撓む。この高分子フィルム１０ｆの撓みにより、ニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側においても、高分子電解質膜１のニップロール１２ａの近傍部分は、第３形状保持フィルム５に形状を保持され、シワやピンホールが生じにくい状態にある。
【００９６】
また、剥離ロール１２ｂをニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側で隣接するように設けた場合には、剥離ロール１２ｂはバックアップロール１２の近傍に位置することになるので、高分子電解質膜１の露出面が空気中の水分に触れる時間が短くなる。
【００９７】
従って、本第３実施形態によれば、剥離ロール１２ｂをニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側で隣接するように設けている（言い換えれば、剥離工程と圧着工程とを重複して行うようにしている）ので、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
なお、前記第３実施形態では、剥離ロール１２ｂをニップロール１２ａに対して搬送方向Ｘの上流側で隣接するように設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、ニップロール１２ａの押圧により、第２及び第３形状保持フィルム３，５により高分子電解質膜１の形状を保持することができる範囲内で、剥離ロール１２ｂをニップロール１２ａから搬送方向Ｘの上流側に離して配置してもよい。前記範囲とは、ニップロール１２ａが高分子フィルム１０を押圧する部分からの長さが高分子電解質膜１の幅（例えば、２００ｍｍ〜３００ｍｍ）以下となる範囲である。この場合でも、高分子電解質膜１の露出面が空気中の水分に触れる時間を従来よりも短くして、高分子電解質膜１にシワやピンホールが発生することを抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明にかかる膜−触媒層接合体の製造方法及び装置は、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより一層抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法及びその製造装置として有用である。
【符号の説明】
【０１００】
１    高分子電解質膜
２    第１形状保持フィルム（基材）
３    第２形状保持フィルム（基材）
４ａ  第１触媒層
４ｂ  第２触媒層
５    第３形状保持フィルム
６    第４形状保持フィルム
１０    高分子フィルム
１１    供給ロール
１２ａ  ニップロール
１２ｂ  剥離ロール
１２ｃ  剥離圧着ロール
１３    バックアップロール
１４    触媒インク供給装置
１５    乾燥装置
１６    形状保持フィルム供給装置
１７    貼付装置
１７ａ，１７ｂ  貼付ロール
１８    巻取りロール
Ｐ    供給ポンプ
【図１】
0005853194.tif 000002
【図２Ａ】
0005853194.tif 000003
【図２Ｂ】
0005853194.tif 000004
【図２Ｃ】
0005853194.tif 000005
【図２Ｄ】
0005853194.tif 000006
【図２Ｅ】
0005853194.tif 000007
【図２Ｆ】
0005853194.tif 000008
【図２Ｇ】
0005853194.tif 000009
【図３】
0005853194.tif 000010
【図４】
0005853194.tif 000011
【図５】
0005853194.tif 000012
【図６】
0005853194.tif 000013
【図７】
0005853194.tif 000014
【図８】
0005853194.tif 000015
【図９Ａ】
0005853194.tif 000016
【図９Ｂ】
0005853194.tif 000017
【図９Ｃ】
0005853194.tif 000018
【図９Ｄ】
0005853194.tif 000019
【図９Ｅ】
0005853194.tif 000020
【図９Ｆ】
0005853194.tif 000021
【図９Ｇ】
0005853194.tif 000022