(57)【要約】【課題】搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる膜・触媒層接合体の製造装置を提供する。【解決手段】電解質膜巻出ローラ１２からバックシート付き電解質膜が送り出され、剥離ローラ１１によって電解質膜の表面を吸着ローラ２０に吸着させた状態でバックシートを剥離している。そして、電解質膜を吸着ローラ２０に吸着支持した状態で搬送しつつ、電解質膜の裏面に塗工ノズル３０から触媒インクを塗工して触媒インク層を形成し、それに乾燥炉４０から熱風を吹き付けて乾燥させて触媒層としている。その後、触媒層の形成された電解質膜の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体を吸着ローラ２０とラミネートローラ５１との間に挟み込んで支持フィルム７を電解質膜の裏面に貼り合わせている。【選択図】図１
2018147890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置であって、
帯状の電解質膜を外周面に吸着して支持する吸着ローラと、
前記電解質膜の一方面に貼り合わされた帯状の第１支持部材を剥離して前記電解質膜を前記吸着ローラに押し付けて供給する剥離ローラを有する剥離手段と、
前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜の一方面に塗工液を塗工する塗工手段と、
前記電解質膜の一方面に塗工された前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、
前記吸着ローラに向けて帯状の第２支持部材を供給する供給手段と、
前記触媒層が形成された前記電解質膜の一方面に前記第２支持部材を重ね合わせた積層体を前記吸着ローラとの間で挟み込んで前記第２支持部材を前記電解質膜の一方面に貼り合わせるラミネートローラと、
を備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
前記ラミネートローラを温調する温調手段を備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
【請求項３】
請求項２記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
前記温調手段は、前記ラミネートローラを常温以上、前記触媒層に含有されるアイオノマーのガラス転移点以下に温調することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
前記ラミネートローラと前記吸着ローラとによって前記電解質膜の一方面に前記第２支持部材が貼り合わされた膜・触媒層接合体を巻き取る巻取ローラをさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
前記供給手段は、前記剥離手段が剥離した前記第１支持部材を前記第２支持部材として供給することを特徴とする膜・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、電解質膜上に触媒層を形成した燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、家庭用、携帯電話などの駆動電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料に含まれる水素（Ｈ２）と空気中の酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電力を作り出す発電システムであり、発電効率が高く環境への負荷も軽いという特長を有する。
【０００３】
燃料電池には、使用する電解質によって幾つかの種類が存在しているが、そのうちの一つに電解質としてイオン交換膜（電解質膜）を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer electrolyte fuel cell）がある。固体高分子形燃料電池は、常温での動作および小型軽量化が可能であるため、自動車や携帯機器への適用が期待されている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、一般的には複数のセルを積層して構成されている。１つのセル（単セル）は、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）の両側を一対のセパレータで挟み込んで構成されている。膜・電極接合体は、電解質の薄膜（高分子電解質膜）の両面に触媒層を形成した膜・触媒層接合体（ＣＣＭ：Catalyst-coated membrane）の両側にさらにガス拡散層を配置したものである。高分子電解質膜を挟んで両側に配置された触媒層とガス拡散層とで一対の電極層が構成され、そのうちの一方がアノード電極であり、他方がカソード電極である。アノード電極に水素を含む燃料ガスが接触するとともに、カソード電極に空気が接触することにより電気化学反応によって電力が作り出される。
【０００５】
このような膜・触媒層接合体は、典型的には電解質膜の表面に白金（Ｐｔ）を含む触媒粒子をアルコールなどの溶媒中に分散させた触媒インク（電極ペースト）を塗工し、その触媒インクを乾燥させることによって作成される。ところが、電解質膜は触媒インクに含まれる溶媒や雰囲気中の水分を容易に吸収して膨潤・収縮を生じ易いという性質を有している。このため、触媒インクを塗工して乾燥するときに電解質膜に皺やピンホールが発生するという問題があった。電解質膜に皺やピンホールが発生すると燃料電池の発電性能が低下することとなる。
【０００６】
このような問題を解決するために、特許文献１には、吸引加熱ローラによって電解質膜を吸引しつつ搬送し、その電解質膜に塗布された触媒インクを直ちに加熱して乾燥することにより、電解質膜の変形を抑制する技術が開示されている。また、特許文献２にも、ローラに吸着した電解質膜に触媒インクをスプレー塗布し、その触媒インクをローラによる加熱によって乾燥する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、一方面に形状保持フィルムが貼り付けられた電解質膜をバックアップローラに懸架して当該電解質膜の他方面に触媒インクを塗布し、触媒インクの乾燥後に触媒層が形成された電解質の他方面にも形状保持フィルムを貼り付けることによって電解質膜に皺が発生するのを防止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−７０８６３号公報
【特許文献２】特開２００４−３５１４１３号公報
【特許文献３】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】
【０００８】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される技術では、ローラによって電解質膜を吸着した状態で触媒インクを塗工しているため、塗工時の電解質膜の膨潤による変形は防ぐことができるものの、塗工後にローラから電解質膜が離れたときには触媒インクの溶媒の吸収およびインクの乾燥によって膨潤・収縮が生じるおそれがある。また、特許文献３に開示される技術では、電解質膜を単にバックアップローラに懸架しているだけであるため、膨潤の程度が大きい溶剤を使用した触媒インクを塗工した場合には塗工時に電解質膜が形状保持フィルムからずれて変形するおそれがある。すなわち、いずれにおいても、膜・触媒層接合体の製造時に電解質膜の変形が生じる可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる膜・触媒層接合体の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置において、帯状の電解質膜を外周面に吸着して支持する吸着ローラと、前記電解質膜の一方面に貼り合わされた帯状の第１支持部材を剥離して前記電解質膜を前記吸着ローラに押し付けて供給する剥離ローラを有する剥離手段と、前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜の一方面に塗工液を塗工する塗工手段と、前記電解質膜の一方面に塗工された前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、前記吸着ローラに向けて帯状の第２支持部材を供給する供給手段と、前記触媒層が形成された前記電解質膜の一方面に前記第２支持部材を重ね合わせた積層体を前記吸着ローラとの間で挟み込んで前記第２支持部材を前記電解質膜の一方面に貼り合わせるラミネートローラと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記ラミネートローラを温調する温調手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記温調手段は、前記ラミネートローラを常温以上、前記触媒層に含有されるアイオノマーのガラス転移点以下に温調することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記ラミネートローラと前記吸着ローラとによって前記電解質膜の一方面に前記第２支持部材が貼り合わされた膜・触媒層接合体を巻き取る巻取ローラをさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記供給手段は、前記剥離手段が剥離した前記第１支持部材を前記第２支持部材として供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１から請求項５の発明によれば、電解質膜の一方面に貼り合わされた第１支持部材を剥離し、吸着ローラに吸着支持されて搬送される電解質膜の一方面に塗工液を塗工し、その塗工液を乾燥させて触媒層を形成し、さらにその一方面に第２支持部材を貼り合わせるため、搬送全体にわたって電解質膜が第１支持部材、吸着ローラおよび第２支持部材によって連続的に支持されることとなり、搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる。
【００１６】
特に、請求項２の発明によれば、ラミネートローラを温調しているため、第２支持部材を電解質膜に確実に貼り合わせることができる。
【００１７】
特に、請求項３の発明によれば、ラミネートローラを常温以上、触媒層に含有されるアイオノマーのガラス転移点以下に温調するため、触媒層と第２支持部材との付着を防止することができる。
【００１８】
特に、請求項４の発明によれば、電解質膜の一方面に第２支持部材が貼り合わされた膜・触媒層接合体を巻き取る巻取ローラをさらに備えるため、電解質膜を密閉状態で保管することができ、電解質膜の変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】吸着ローラ近傍の斜視図である。
【図３】吸着ローラおよび乾燥炉の構成を示す図である。
【図４】吸着ローラおよび乾燥炉の正面図である。
【図５】製造装置において膜・触媒層接合体が製造される手順を示すフローチャートである。
【図６】電解質膜巻出ローラから巻き出される時点での電解質膜の断面図である。
【図７】電解質膜の表面に形成された触媒層を示す図である。
【図８】剥離ローラによってバックシートを剥離して電解質膜を吸着ローラに吸着させる様子を示す図である。
【図９】電解質膜に触媒インクが間欠塗工された状態を示す図である。
【図１０】触媒インクが間欠塗工された電解質膜の断面図である。
【図１１】表裏両面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。
【図１２】電解質膜の塗工面に支持フィルムを貼り合わせるラミネート処理の様子を示す図である。
【図１３】支持フィルムが貼り合わされた電解質膜の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置１の全体構成を示す側面図である。この膜・触媒層接合体の製造装置１は、帯状の薄膜である電解質膜２に触媒インク（電極ペースト）を塗工し、その触媒インクを乾燥させて電解質膜２上に触媒層を形成して固体高分子形燃料電池用の膜・触媒層接合体を製造する装置である。なお、図１および以降の各図には、それらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を適宜付している。また、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
【００２２】
製造装置１は、主たる要素として、電解質膜２からバックシート６を剥離する剥離部１０と、電解質膜２を吸着支持して搬送する吸着ローラ２０と、電解質膜２の表面に触媒インクを塗工する塗工ノズル３０と、塗工された触媒インクを加熱して乾燥させる乾燥炉４０と、乾燥工程を経た電解質膜２に支持フィルムを貼り合わせる貼付部５０と、を備える。また、製造装置１は、装置全体を管理する制御部９０を備える。
【００２３】
剥離部１０は剥離ローラ１１を備える。また、製造装置１は、電解質膜巻出ローラ１２、バックシート巻取ローラ１４およびテンション検知ローラ１３，１５を備える。電解質膜巻出ローラ１２は図示省略のモータによって連続的に回転される。電解質膜巻出ローラ１２にはバックシート６付きの電解質膜２が巻回されており、電解質膜巻出ローラ１２はそのバックシート６付きの電解質膜２を連続的に送り出す。
【００２４】
電解質膜巻出ローラ１２から送り出されたバックシート６付きの電解質膜２は、テンション検知ローラ１３に懸架され、剥離ローラ１１によって吸着ローラ２０に押し付けられる。剥離ローラ１１は、弾性体のローラであり、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２０の外周面から所定の間隔を隔てた位置に近接支持されている。剥離ローラ１１と吸着ローラ２０の外周面との間隔は、バックシート６付き電解質膜２の厚さよりも小さい。従って、バックシート６付き電解質膜２が剥離ローラ１１と吸着ローラ２０との間を通過するときに、電解質膜２が吸着ローラ２０に押し付けられる。剥離ローラ１１がバックシート６付き電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付ける力は、上記のシリンダーによって剥離ローラ１１と吸着ローラ２０との間隔を調整することによって制御される。
【００２５】
剥離ローラ１１が電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付けることによって、電解質膜２は吸着ローラ２０の外周面に吸着される。このとき、バックシート６は電解質膜２から剥離され、テンション検知ローラ１５に懸架されてバックシート巻取ローラ１４に巻き取られる。すなわち、剥離部１０の剥離ローラ１１は、バックシート６付きの電解質膜２からバックシート６を剥離するとともに、電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付けて吸着させる役割を担っている。
【００２６】
電解質膜巻出ローラ１２から送り出されて剥離ローラ１１に至るまでのバックシート付き電解質膜２の張力はテンション検知ローラ１３によって検知される。テンション検知ローラ１３は、軸に作用する荷重をロードセルによって測定することにより作用する張力を検知する。制御部９０は、テンション検知ローラ１３によって検知されるバックシート付き電解質膜２の張力が予め設定された値となるように電解質膜巻出ローラ１２の回転を制御する。
【００２７】
バックシート巻取ローラ１４は、図示省略のモータによって連続的に回転されることにより、バックシート６を連続的に巻き取るとともに、剥離ローラ１１にて電解質膜２から剥離されたバックシート６に一定の張力を付与する。バックシート巻取ローラ１４がバックシート６に与える張力はテンション検知ローラ１５によって検知される。テンション検知ローラ１５は、テンション検知ローラ１３と同じく、軸に作用する荷重をロードセルによって測定することにより作用する張力を検知する。制御部９０は、テンション検知ローラ１５によって検知されるバックシート６の張力が予め設定された値となるようにバックシート巻取ローラ１４の回転を制御する。
【００２８】
図２は、吸着ローラ２０近傍の斜視図である。吸着ローラ２０は、中心軸がＹ軸方向に沿うように設置された円柱形状の部材である。吸着ローラ２０の大きさは、例えば、高さ（Ｙ軸方向の長さ）が４００ｍｍであり、直径が４００ｍｍ〜１６００ｍｍである。吸着ローラ２０は、図示省略のモータによってＹ軸方向に沿った中心軸を回転中心として図２中矢印ＡＲ２に示す向きに回転される。
【００２９】
吸着ローラ２０は、多孔質カーボンまたは多孔質セラミックスにて形成された多孔質ローラである。多孔質セラミックスとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体を用いることができる。多孔質の吸着ローラ２０における気孔径は５μｍ以下であり、気孔率は１５％〜５０％の範囲内である。また、吸着ローラ２０の外周面（円柱の周面）の表面粗さは、Ｒｚ（最大高さ）が５μｍ以下であり、この値は小さいほど好ましい。さらに、回転時の吸着ローラ２０の全振れ（回転軸から外周面までの距離の変動）は１０μｍ以下とされている。
【００３０】
図３は、吸着ローラ２０および乾燥炉４０の構成を示す図である。吸着ローラ２０の上面および／または底面には吸引口２１が設けられている。吸引口２１は、図外の吸引機構（例えば、排気ポンプ）によって吸引されて負圧が与えられる。吸着ローラ２０は、気孔率が１５％〜５０％の多孔質であるため、吸引口２１に負圧が付与されると、内部の気孔を介して吸着ローラ２０の外周面にも所定値の負圧（周辺雰囲気から外周面に吸引する圧力）が均一に作用することとなる。例えば、本実施形態では、吸引口２１に９０ｋＰａ以上の負圧が付与されることによって、吸着ローラ２０の外周面には１０ｋＰａ以上の負圧が均一に作用することとなる。これにより、吸着ローラ２０は、電解質膜２を幅方向（Ｙ軸方向）の全域にわたって均等に吸着することができる。
【００３１】
また、吸着ローラ２０には、複数の水冷管２２が設けられている。水冷管２２は、吸着ローラ２０の内部を巡るように均一な配設密度にて設けられている。水冷管２２には図外の給水機構から所定温度に温調された恒温水が供給される。水冷管２２の内部を流れた恒温水は図外の排液機構へと排出される。水冷管２２に恒温水を流すことによって、吸着ローラ２０は冷却されることとなる。
【００３２】
図１，２に戻り、吸着ローラ２０の外周面に対向して塗工ノズル３０が設けられている。塗工ノズル３０は、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向において、剥離ローラ１１よりも下流側に設けられている。塗工ノズル３０は、先端（（＋Ｘ）側の端部）にスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。そのスリット状の吐出口の長手方向はＹ軸方向である。塗工ノズル３０は、スリット状の吐出口が吸着ローラ２０の外周面から所定間隔を隔てる位置に設けられている。また、塗工ノズル３０は、図示しない駆動機構によって吸着ローラ２０に対する位置および姿勢が調整可能に設けられている。
【００３３】
塗工ノズル３０には、塗工液供給機構３５から塗工液として触媒インクが供給される。塗工液供給機構３５は、触媒インクを貯留するタンク、当該タンクと塗工ノズル３０とを連通接続する供給配管、および、当該供給配管に設けられた開閉バルブなどを有する。塗工液供給機構３５は、開閉バルブを開放し続けることによって塗工ノズル３０に連続して触媒インクを供給することも可能であるし、開閉バルブを繰り返し開閉することによって塗工ノズル３０に断続的に触媒インクを供給することも可能である。
【００３４】
塗工液供給機構３５から供給された触媒インクは、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２に塗工ノズル３０から塗工される。塗工液供給機構３５が連続して触媒インクを供給する場合には電解質膜２に触媒インクが連続的に塗工され、断続的に触媒インクを供給する場合には電解質膜２に触媒インクが間欠塗工される。
【００３５】
乾燥炉４０は、吸着ローラ２０の外周面の一部を覆うように設けられている。図３に示すように、乾燥炉４０は、３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３、および、２つの熱遮断ゾーン４４，４５の合計５つのゾーンに分割されている。３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３のそれぞれは、図外の熱風送風部からの熱風送風により、吸着ローラ２０の外周面に向けて熱風を吹き付ける。乾燥炉４０からの熱風の吹き付けによって、電解質膜２に塗工された触媒インクが乾燥される。
【００３６】
３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３は、吹き付ける熱風の温度が異なる。３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３が吹き付ける熱風の温度は、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向の上流側から下流側に向けて（図３の紙面上にて時計回りに）順次高くなる。例えば、最も上流側の乾燥ゾーン４１の熱風温度は室温〜４０℃であり、中間の乾燥ゾーン４２の熱風温度は４０℃〜８０℃であり、最も下流側の乾燥ゾーン４３の熱風温度は５０℃〜１００℃である。
【００３７】
２つの熱遮断ゾーン４４，４５は、電解質膜２の搬送方向に沿って乾燥ゾーン４１，４２，４３の両端に設けられている。熱遮断ゾーン４４は乾燥ゾーン４１の上流側に設けられ、熱遮断ゾーン４５は乾燥ゾーン４３の下流側に設けられている。２つの熱遮断ゾーン４４，４５は、図外の排気部からの排気により、吸着ローラ２０の外周面近傍の雰囲気を吸引する。これによって、乾燥ゾーン４１，４２，４３から吹き出された熱風が乾燥炉４０を超えて吸着ローラ２０の上流側および下流側に流れ出るのを防止するとともに、乾燥時に触媒インクから生じた溶媒蒸気などが乾燥炉４０の外部に漏出するのを防止することができる。なお、少なくとも上流側の熱遮断ゾーン４４が設けられていれば、乾燥ゾーン４１，４２，４３から吹き出された熱風が塗工ノズル３０に流れ込んで吐出口近傍を乾燥させることに起因した塗工不良の発生を防止することができる。
【００３８】
図４は、吸着ローラ２０および乾燥炉４０の正面図である。乾燥炉４０には、吸着ローラ２０の幅方向（Ｙ軸方向）に沿った両端にも吸引部４６，４７が設けられている。吸引部４６，４７は、熱遮断ゾーン４４，４５と同様に、周辺の雰囲気を吸引する。これによって、乾燥炉４０の幅方向両端から漏出しようとする熱風および溶媒蒸気などをも吸引回収することができる。
【００３９】
図１，２に戻り、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向に沿って乾燥炉４０よりも下流側に貼付部５０が設けられている。貼付部５０はラミネートローラ５１を備える。ラミネートローラ５１は、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２０の外周面から所定の間隔を隔てた位置に近接支持されている。ラミネートローラ５１と吸着ローラ２０の外周面との間隔は、乾燥処理後の電解質膜２の厚さ（電解質膜２と触媒層との合計厚さ）よりも小さい。従って、乾燥処理後の電解質膜２がラミネートローラ５１と吸着ローラ２０との間を通過するときに、ラミネートローラ５１によって電解質膜２が吸着ローラ２０の外周面に押し付けられる。ラミネートローラ５１が押圧する力は、上記のシリンダーによってラミネートローラ５１と吸着ローラ２０との間隔を調整することによって制御される。
【００４０】
ラミネートローラ５１は、例えば吸着ローラ２０と同程度の幅を有する金属ローラとすることができる。ラミネートローラ５１の内部にはヒータ９５が設けられている（図１２参照）。ヒータ９５としては、例えばシーズヒータが用いられる。ヒータ９５は、ラミネートローラ５１を所定の温度に温調する。ラミネートローラ５１のローラ表面の温度は図示省略の放射温度計によって計測されており、その放射温度計の計測結果に基づいてローラ表面が所定温度となるように制御部９０がヒータ９５を制御する。なお、ラミネートローラ５１の径は適宜のものとすることができる。
【００４１】
製造装置１には、さらに支持フィルム巻出ローラ５５、接合体巻取ローラ５６およびテンション検知ローラ５２，５３が設けられている。支持フィルム巻出ローラ５５は図示省略のモータによって連続的に回転される。支持フィルム巻出ローラ５５には帯状の支持フィルム７が巻回されており、支持フィルム巻出ローラ５５はその支持フィルム７を吸着ローラ２０に向けて連続的に供給する。支持フィルム巻出ローラ５５から送り出された支持フィルム７は、テンション検知ローラ５２に懸架され、ラミネートローラ５１および吸着ローラ２０によるラミネート処理によって電解質膜２に貼り合わされるが、このラミネート処理については後に詳述する。
【００４２】
支持フィルム巻出ローラ５５から送り出されて吸着ローラ２０に供給される支持フィルム７の張力はテンション検知ローラ５２によって検知される。テンション検知ローラ５２は、テンション検知ローラ１３と同じく、軸に作用する荷重をロードセルによって測定することにより作用する張力を検知する。制御部９０は、テンション検知ローラ５２によって検知される支持フィルム７の張力が予め設定された値となるように支持フィルム巻出ローラ５５の回転を制御する。
【００４３】
ラミネートローラ５１および吸着ローラ２０によるラミネート処理によって支持フィルム７が貼り合わされた膜・触媒層接合体５は、吸着ローラ２０の外周面から離れてテンション検知ローラ５３に懸架され、接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる。接合体巻取ローラ５６は、図示省略のモータによって連続的に回転されることにより、膜・触媒層接合体５を巻き取るとともに、吸着ローラ２０から離れた膜・触媒層接合体５に一定の張力を付与する。接合体巻取ローラ５６が膜・触媒層接合体５に与える張力はテンション検知ローラ５３によって検知される。テンション検知ローラ５３は、テンション検知ローラ１３と同じく、軸に作用する荷重をロードセルによって測定することにより作用する張力を検知する。制御部９０は、テンション検知ローラ５３によって検知される膜・触媒層接合体５の張力が予め設定された値となるように接合体巻取ローラ５６の回転を制御する。
【００４４】
また、製造装置１は、表面冷却部６０を備える。表面冷却部６０は、吸着ローラ２０の外周面に対向する位置であって、貼付部５０と剥離部１０との間に設けられている。表面冷却部６０は、エアーノズルを備えており、吸着ローラ２０の外周面に向けて冷却エアー（例えば５℃程度に冷却されている）を吹き付ける。表面冷却部６０が冷却エアーを吹き付けることによって吸着ローラ２０の外周面が冷却される。なお、表面冷却部６０は、貼付部５０と剥離部１０との間に設けられているため、電解質膜２が吸着されていない吸着ローラ２０の外周面にエアーを吹き付けることとなる。
【００４５】
また、製造装置１は、塗工状態を検査するためのセンサーとして、検査カメラ７１，７５、ファイバーセンサー７２，７４、レーザ変位計７３を備える。検査カメラ７１，７５は、例えばＣＣＤカメラにて構成される。検査カメラ７１は、テンション検知ローラ１３のローラ表面に対向する位置に設けられており、テンション検知ローラ１３に懸架されている電解質膜２に形成されている触媒層の幅方向位置（Ｙ軸方向の位置）を検出する。検査カメラ７５は、吸着ローラ２０の外周面に対向する位置であって、電解質膜２の搬送方向に沿って塗工ノズル３０よりも下流側に設けられている。検査カメラ７５は、塗工ノズル３０によって塗工された直後の塗膜の幅方向位置（Ｙ軸方向の位置）を検出する。
【００４６】
ファイバーセンサー７２，７４は、光ファイバー内を伝送された光を照射し、その反射光によって対象物の存在を検出するセンサーである。ファイバーセンサー７２は、吸着ローラ２０の外周面に対向する位置であって、電解質膜２の搬送方向に沿って塗工ノズル３０よりも上流側に設けられている。ファイバーセンサー７２は、塗工処理前の電解質膜２に形成されている触媒層の搬送方向に沿った位置（吸着ローラ２０の周方向に沿った位置）を検出する。一方のファイバーセンサー７４は、吸着ローラ２０の外周面に対向する位置であって、電解質膜２の搬送方向に沿って塗工ノズル３０よりも下流側に設けられている。ファイバーセンサー７４は、塗工ノズル３０によって塗工された直後の塗膜の搬送方向に沿った位置（吸着ローラ２０の周方向に沿った位置）を検出する。
【００４７】
レーザ変位計７３は、照射したレーザ光の反射光から対象物までの変位量を検出する。レーザ変位計７３は、吸着ローラ２０の外周面に対向する位置であって、電解質膜２の搬送方向に沿って塗工ノズル３０よりも下流側に設けられている。レーザ変位計７３は、塗工ノズル３０によって塗工された直後の塗膜の厚さを検出する。なお、図１では、電解質膜２の搬送方向に沿って上流側からレーザ変位計７３、ファイバーセンサー７４、検査カメラ７５の順に配置されているが、これら３つのセンサーの配置順序はこれに限定されるものではなく任意である。
【００４８】
さらに、製造装置１は、装置に設けられた各機構を制御する制御部９０を備える。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって、製造装置１に設けられた各動作機構が制御されて膜・触媒層接合体５の製造処理が進行する。
【００４９】
次に、上記の構成を有する膜・触媒層接合体の製造装置１における処理手順について説明する。図５は、製造装置１において膜・触媒層接合体５が製造される手順を示すフローチャートである。以下に説明する膜・触媒層接合体５の製造手順は、制御部９０が製造装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
【００５０】
まず、電解質膜巻出ローラ１２がバックシート６付きの電解質膜２を巻き出す（ステップＳ１）。電解質膜２としては、従来より固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体用途に用いられているフッ素系や炭化水素系などの高分子電解質膜を使用することができる。例えば、電解質膜２として、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜（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）、ゴア(Gore)社製のGoreselect（登録商標）など）を使用することができる。
【００５１】
上記の電解質膜２は、非常に薄くて機械的強度が弱く、大気中の少量の湿気によっても容易に膨潤する一方で湿度が低くなると収縮する特性を有しており、極めて変形しやすい。このため、電解質膜巻出ローラ１２には、電解質膜２の変形を防止するために初期状態としてバックシート６付きの電解質膜２が巻回されている。電解質膜２は大気中に含まれる少量の湿気によっても極めて容易に変形するため、電解質膜２の製造時に巻き取られる段階で形状保持のための帯状の樹脂フィルムであるバックシート６が貼り付けられた状態となっている。
【００５２】
バックシート６としては、機械的な強度に富んで形状保持機能に優れた樹脂材料、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを用いることができる。本実施形態では、電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされている。なお、電解質膜２の表面と裏面とでは電解質膜としての性質に相違があるものではなく、単に区別のための便宜上、バックシート６が貼り合わされている側の面を裏面としているに過ぎない。
【００５３】
電解質膜巻出ローラ１２に巻回された初期状態のバックシート６付き電解質膜２において、電解質膜２の膜厚は５μｍ〜３０μｍであり、幅は最大で３００ｍｍ程度である。また、バックシート６の膜厚は２５μｍ〜１００μｍであり、その幅は電解質膜２の幅と同等かそれより若干大きい。
【００５４】
また、本実施形態においては、電解質膜２の表面側には既に触媒層が形成されている。表面側の触媒層は、本発明に係る製造装置１とは別途の塗工装置にて、バックシート６が貼り合わされた状態の電解質膜２をそのままロール・ツー・ロール方式で搬送しつつ、電解質膜２の表面に触媒インクを間欠塗工し、その塗膜を乾燥させることによって形成される。表面側の触媒層形成は、電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされたまま行われるため、電解質膜２の変形は生じない。
【００５５】
図６は、電解質膜巻出ローラ１２から巻き出される時点での電解質膜２の断面図である。図７は、電解質膜２の表面に形成された触媒層９を示す図である。図６，７に示すように、電解質膜２の表面には一定サイズの触媒層９が一定間隔で断続的に形成されている。また、電解質膜２の裏面にはバックシート６が貼り合わされている。
【００５６】
図６に示すようなバックシート６付きの電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から巻き出され、テンション検知ローラ１３に懸架されて剥離部１０へと送り出される。電解質膜巻出ローラ１２から送り出されて剥離ローラ１１に至るまでのバックシート付き電解質膜２の張力はテンション検知ローラ１３によって検知され、その測定値が予め設定された値となるように電解質膜巻出ローラ１２の回転が制御される。なお、テンション検知ローラ１３は、バックシート６と接触するため、つまり電解質膜２とは直接には接触しないため、テンション検知ローラ１３との接触によって電解質膜２が変形することは防止される。
【００５７】
また、バックシート６付きの電解質膜２がテンション検知ローラ１３を通過するときに、電解質膜２の表面に形成されている触媒層９の幅方向位置（Ｙ軸方向の位置）が検査カメラ７１によって検出される。バックシート６付きの電解質膜２がテンション検知ローラ１３を通過するときには、バックシート６が貼り合わされている電解質膜２の裏面側がテンション検知ローラ１３に接している（正確には、バックシート６がテンション検知ローラ１３に接している）。よって、検査カメラ７１は、触媒層９が形成されている表面側から電解質膜２を撮像して触媒層９の幅方向位置を検出することができる。検査カメラ７１によって検出された触媒層９の幅方向位置は制御部９０に伝達される。
【００５８】
剥離部１０では、剥離ローラ１１によってバックシート６付きの電解質膜２の表面を吸着ローラ２０に押し付けることにより、バックシート６を剥離して電解質膜２を吸着ローラ２０に吸着支持させる（ステップＳ２）。換言すれば、剥離ローラ１１は、吸着ローラ２０に電解質膜２の表面が吸着された状態で裏面からバックシート６を剥離する。
【００５９】
図８は、剥離ローラ１１によってバックシート６を剥離して電解質膜２を吸着ローラ２０に吸着させる様子を示す図である。電解質膜巻出ローラ１２から送り出されたバックシート６付きの電解質膜２は剥離ローラ１１と吸着ローラ２０との間に挟み込まれる。このとき、バックシート６が電解質膜２の裏面から剥離されるとともに、電解質膜２の表面が吸着ローラ２０に吸着される。電解質膜２の表面には触媒層９が形成されているが、図８に示すように、その触媒層９とともに電解質膜２の表面が吸着ローラ２０の外周面に吸着される。
【００６０】
剥離ローラ１１は、強度の弱い電解質膜２を変形させることなく吸着ローラ２０の外周面に確実に吸着させることができる範囲の力にて電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付けている。但し、剥離ローラ１１は、吸着ローラ２０の外周面から所定の間隔を隔てて近接するように設置されている。剥離ローラ１１がバックシート６付き電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付ける力は、当該間隔によって調整される。
【００６１】
吸着ローラ２０は、電解質膜２の表面を吸着する。気孔率が１５％〜５０％の多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２０の吸引口２１に９０ｋＰａ以上の負圧を付与することによって、電解質膜２を吸着しているか否かに関わらず、吸着ローラ２０の外周面には１０ｋＰａ以上の負圧が均一に作用する。従って、電解質膜２の幅の大小に関わらず、吸着ローラ２０は電解質膜２を一定の吸引圧にて安定して吸着支持することができる。また、吸着ローラ２０の吸着による電解質膜２の変形も抑制することができる。
【００６２】
また、吸着ローラ２０の外周面の表面粗さは、Ｒｚが５μｍ以下であるとともに、吸着ローラ２０の気孔径は５μｍ以下であるため、電解質膜２には吸着支持にともなう吸着痕は生じにくい。すなわち、本実施形態の吸着ローラ２０は、脆弱な機械的性質を有する電解質膜２を変形させたり吸着痕を生じさせることなく安定して吸着支持することができるのである。
【００６３】
図８に示すように、電解質膜２を吸着支持した吸着ローラ２０がＹ軸方向に沿った中心軸を回転中心として回転することにより、バックシート６が剥離された電解質膜２が吸着ローラ２０の外周面に支持されて搬送される。一方、電解質膜２から剥離されたバックシート６は、テンション検知ローラ１５に懸架されてバックシート巻取ローラ１４によって巻き取られる。剥離ローラ１１にて電解質膜２から剥離されてバックシート巻取ローラ１４に至るまでのバックシート６の張力はテンション検知ローラ１５によって検知され、その測定値が予め設定された値となるようにバックシート巻取ローラ１４の回転が制御される。
【００６４】
吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２が塗工ノズル３０に到達する前に、電解質膜２の表面に形成されている触媒層９の搬送方向に沿った位置（吸着ローラ２０の周方向に沿った位置）がファイバーセンサー７２によって検出される。このとき、触媒層９が形成されている電解質膜２の表面側は吸着ローラ２０によって吸着されているため、ファイバーセンサー７２は電解質膜２の裏面側から検出することになるのであるが、電解質膜２は半透明であるため、ファイバーセンサー７２は電解質膜２の裏面側からであっても表面の電解質膜２を検出することができる。ファイバーセンサー７２によって検出された触媒層９の搬送方向に沿った位置は制御部９０に伝達される。
【００６５】
次に、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の裏面には、塗工ノズル３０から触媒インクが塗工される（ステップＳ３）。本実施形態で使用される触媒インクは、例えば、触媒粒子、イオン伝導性電解質および分散媒を含有する。触媒粒子としては、公知または市販のものを使用することができ、高分子形燃料電池のアノードまたはカソードにおける燃料電池反応を起こさせるものであれば特に限定されず、例えば白金（Ｐｔ）、白金合金、白金化合物等を用いることができる。このうち白金合金としては、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）等からなる群から選択された少なくとも１種の金属と白金との合金を挙げることができる。一般的には、カソード用の触媒インクの触媒粒子には白金、アノード用の触媒インクの触媒粒子には上述の白金合金が用いられる。
【００６６】
また、触媒粒子は、触媒微粒子が炭素粉に担持された、いわゆる触媒担持炭素粉であっても良い。触媒担持炭素の平均粒子径は、通常１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、好ましくは２０ｎｍ〜８０ｎｍ程度、最も好ましくは４０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。触媒微粒子を担持する炭素粉は特に制限されるものではなく、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。これらは、１種単独で使用しても良いし、２種以上併用しても良い。
【００６７】
上記のような触媒粒子に溶媒を加えてスリットノズルから塗布可能なペーストとする。溶媒としては、水、エタノール、ｎ−プロパノールおよびｎ−ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系およびフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。
【００６８】
さらに、触媒粒子に溶媒を加えた溶液にイオン交換基を有するアイオノマーを上記溶媒中に分散させた高分子電解質溶液を加える。一例として、白金を５０ｗｔ％担持したカーボンブラック（田中貴金属工業（株）製の「TEC10E50E」）を水、エタノールおよび高分子電解質溶液（米国DuPont社製のNafion液「D2020」）に分散させて触媒インクを得ることができる。
【００６９】
このようにして混合されたペーストを触媒インクとして塗工液供給機構３５から塗工ノズル３０に供給する。塗工液供給機構３５から供給された触媒インクは、塗工ノズル３０から電解質膜２の裏面に塗工される。なお、電解質膜２に塗工する触媒インクは、カソード用であってもアノード用であっても良いが、表面に形成されている触媒層９とは逆極性の触媒インクが裏面に塗工される。
【００７０】
また、本実施形態では、塗工液供給機構３５が触媒インクを断続的に塗工ノズル３０に供給することによって、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の裏面に塗工ノズル３０から間欠塗工を行っている。図９は、電解質膜２に触媒インクが間欠塗工された状態を示す図である。また、図１０は、触媒インクが間欠塗工された電解質膜２の断面図である。吸着ローラ２０に吸着支持されて一定速度で搬送される電解質膜２に塗工ノズル３０から触媒インクを断続的に吐出することによって、図９，１０に示すように、電解質膜２の裏面には一定サイズの触媒インク層８が一定間隔で不連続に形成される。
【００７１】
回転時の吸着ローラ２０の全振れは１０μｍ以下であり、吸着ローラ２０の外周面の表面粗さは、Ｒｚが５μｍ以下であるため、回転する吸着ローラ２０の外周面と塗工ノズル３０のスリット状吐出口との間隔はほぼ一定値に安定している。このため、塗工ノズル３０からの間欠塗工によって高い精度にて均一な触媒インク層８を形成することができる。
【００７２】
電解質膜２の裏面に形成される各触媒インク層８の幅は、塗工ノズル３０のスリット状吐出口の幅によって規定される。各触媒インク層８の長さは、塗工ノズル３０の触媒インク吐出時間と電解質膜２の搬送速度（つまり、吸着ローラ２０の回転速度）とによって規定される。また、触媒インク層８の厚さ（高さ）は、塗工ノズル３０の吐出口と電解質膜２の裏面との距離および触媒インクの吐出流量と電解質膜２の搬送速度とによって規定され、例えば１０μｍ〜３００μｍである。触媒インクは塗工ノズル３０から塗工可能なペーストであり、電解質膜２上にて触媒インク層８の形状を維持できる程度の粘性を有している。
【００７３】
塗工ノズル３０は、電解質膜２の裏面において、既に形成されている表面側の触媒層９と同じ領域に触媒インクを塗工する。すなわち、塗工ノズル３０は、表面側の触媒層９と同じ領域の反対面（裏面）に触媒インクを塗工する。具体的には、検査カメラ７１によって検出された表面側の触媒層９の幅方向位置情報に基づいて、裏面側の同じ幅方向位置に触媒インクを塗工するように制御部９０が塗工ノズル３０のＹ軸方向の位置を微調整する。また、ファイバーセンサー７２によって検出された触媒層９の搬送方向に沿った位置情報に基づいて、裏面側の同じ位置に触媒インクを塗工するように制御部９０が塗工ノズル３０の吐出タイミングを制御する。このようにして、図１０に示すように、電解質膜２の表面側の触媒層９と同じ領域の裏面側に触媒インク層８が形成される。
【００７４】
続いて、塗工ノズル３０からの塗工によって形成された塗膜である触媒インク層８の検査が行われる（ステップＳ４）。この検査は触媒インク層８の塗工状態について行われるものであり、具体的には触媒インク層８の幅方向位置、搬送方向に沿った位置および膜厚の検査が行われる。これらの検査は、電解質膜２の搬送方向に沿って塗工ノズル３０よりも下流側に設けられているレーザ変位計７３、ファイバーセンサー７４および検査カメラ７５によって実施される。
【００７５】
レーザ変位計７３は、塗工ノズル３０からの塗工によって形成された直後の触媒インク層８の厚さを検出する。ファイバーセンサー７４は、その触媒インク層８の搬送方向に沿った位置を検出する。検査カメラ７５は、その触媒インク層８の幅方向位置を検出する。これらの検出結果は制御部９０に伝達される。制御部９０は、レーザ変位計７３、ファイバーセンサー７４および検査カメラ７５の検出結果に基づいて、触媒インク層８が表面側の触媒層９と同じ領域に予め設定されている膜厚にて形成されているか否かを判定する。
【００７６】
図９の最も下側には、仮に触媒インク層８の塗工領域が表面側の触媒層９の形成領域からずれていた場合を例示している。この例では、触媒インク層８の幅方向位置および搬送方向に沿った位置がともに表面側の触媒層９の形成領域からずれている。このような触媒インク層８の位置ずれはファイバーセンサー７４および検査カメラ７５の検出結果に基づいて制御部９０が判定することとなる。
【００７７】
次いで、吸着ローラ２０の回転によって、電解質膜２の裏面側の触媒インク層８が乾燥炉４０に対向する位置にまで搬送され、触媒インク層８の乾燥処理が行われる（ステップＳ５）。触媒インク層８の乾燥処理は、乾燥炉４０から触媒インク層８に熱風を吹き付けることによって行われる。熱風が吹き付けられることによって触媒インク層８が加熱されて溶媒成分が揮発し、触媒インク層８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって触媒インク層８が乾燥されて触媒層９となる。
【００７８】
図１１は、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２の断面図である。触媒層９は、白金などの触媒粒子が担持された電極層である。触媒層９は、触媒インク層８から溶媒成分が揮発して固化したものであるため、その厚さは触媒インク層８よりも薄い。乾燥後の触媒層９の厚さは、例えば３μｍ〜５０μｍである。図１１に示すような、電解質膜２の表裏両面に触媒層９が形成されたものが膜・触媒層接合体５である。
【００７９】
また、乾燥炉４０は、３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３を備えており、それらからは異なる温度の熱風が吹き付けられる。具体的には、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向の最も上流側に位置する乾燥ゾーン４１から中間の乾燥ゾーン４２を経て最も下流側の乾燥ゾーン４３の順に熱風温度が高くなる。乾燥ゾーンを分割することなく、塗工直後の触媒インク層８に直ちに高温の熱風を吹き付けると、触媒インク層８が急激に乾燥されて表面にクラックが生じることがある。或いは、吸着ローラ２０にヒータを内蔵して塗工直後の触媒インク層８を急激に乾燥した場合も同様である。
【００８０】
本実施形態では、乾燥炉４０を３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３に分割し、電解質膜２の搬送方向の上流側から下流側に向けて乾燥温度を順次に高くしている。すなわち、最も上流側の乾燥ゾーン４１は、塗工直後の触媒インク層８に比較的低温の熱風を吹き付けることによって、触媒インク層８を僅かに昇温させる。次に、中間の乾燥ゾーン４２がやや高温の熱風を吹き付けることによって、触媒インク層８を緩やかに乾燥させる。そして、最も下流側の乾燥ゾーン４３が高温の熱風を吹き付けることによって、触媒インク層８を強く乾燥させる。このように、乾燥温度を徐々に高くして触媒インク層８を段階的に乾燥させることにより、乾燥処理時のクラックの発生を防止することができる。
【００８１】
クラックの発生を防止しつつ触媒インク層８を適切に乾燥させるためには、乾燥処理時間も適切に管理する必要があり、例えば約６０秒とするのが好ましい。乾燥処理時間は、１つの触媒インク層８が３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３を通過する合計時間である。例えば、吸着ローラ２０の直径が４００ｍｍで３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３が吸着ローラ２０の外周面の半周を覆っていたとすると、その長さは約６２８ｍｍとなる。この条件で乾燥処理時間として６０秒を確保するためには、電解質膜２の搬送速度を１０．４ｍｍ／秒とすれば良い。電解質膜２の搬送速度は吸着ローラ２０の回転速度によって規定される。
【００８２】
また、乾燥炉４０は、電解質膜２の搬送方向に沿って最も上流側に熱遮断ゾーン４４を備え、最も下流側に熱遮断ゾーン４５を備えている。これにより、乾燥ゾーン４１，４２，４３から吹き出された熱風が乾燥炉４０を超えて吸着ローラ２０の上流側および下流側に流れ出るのを防止することができる。その結果、乾燥炉４０の上流側に位置する塗工ノズル３０や下流側に位置する貼付部５０が不必要に加熱されるのを防止することができる。
【００８３】
さらに、乾燥炉４０には、熱遮断ゾーン４４，４５に加えて吸引部４６，４７も設けられており、これらによって乾燥炉４０の周囲に熱風が流れ出るのを防止するとともに、乾燥時に触媒インク層８から揮発した溶媒の蒸気等が漏出するのを防止することができる。
【００８４】
次に、吸着ローラ２０のさらなる回転によって、乾燥後の裏面側の触媒層９が貼付部５０に到達する。貼付部５０は、電解質膜２の裏面に支持フィルム７を貼り合わせるラミネート処理を行う（ステップＳ６）。すなわち、貼付部５０は、製造装置１にて塗工処理を行った電解質膜２の塗工面に対して支持フィルム７を貼り合わせる。
【００８５】
図１２は、電解質膜２の塗工面に支持フィルム７を貼り合わせるラミネート処理の様子を示す図である。貼付部５０が設けられている位置近傍の吸着ローラ２０の外周面に向けて、支持フィルム巻出ローラ５５から帯状の支持フィルム７が連続的に供給される。支持フィルム７としては、機械的な強度に富んで形状保持機能に優れた樹脂フィルム、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを用いることができる。すなわち、支持フィルム７はバックシート６と同じものであっても良く、剥離部１０が剥離してバックシート巻取ローラ１４によって巻き取ったバックシート６を支持フィルム７として支持フィルム巻出ローラ５５から送り出すようにしても良い。
【００８６】
支持フィルム巻出ローラ５５から送り出された支持フィルム７は、テンション検知ローラ５２に懸架されて吸着ローラ２０へと供給される。支持フィルム巻出ローラ５５から送り出されてラミネート処理に供されるまでの支持フィルム７の張力はテンション検知ローラ５２によって検知され、その測定値が予め設定された値となるように支持フィルム巻出ローラ５５の回転が制御される。
【００８７】
支持フィルム７は、電解質膜２の搬送方向において、貼付部５０のラミネートローラ５１よりも少し上流側に供給される。すなわち、支持フィルム７は、ラミネートローラ５１と乾燥炉４０との間に供給される。そして、供給された支持フィルム７は、図１２に示すように、ラミネートローラ５１の回転に巻き込まれるようにして電解質膜２の裏面に重ね合わされる。電解質膜２の裏面には塗工ノズル３０から塗工されて乾燥炉４０にて乾燥された触媒層９が形成されている。電解質膜２の裏面に支持フィルム７が重ね合わされると、裏面側の触媒層９は電解質膜２と支持フィルム７との間に挟み込まれることとなる。
【００８８】
触媒層９が形成された電解質膜２の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体が吸着ローラ２０およびラミネートローラ５１の回転にともなってそれら両ローラの間に挟み込まれる。これにより、電解質膜２の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体が吸着ローラ２０およびラミネートローラ５１から押圧されることとなる。吸着ローラ２０およびラミネートローラ５１が当該積層体を押圧する力は、吸着ローラ２０の外周面とラミネートローラ５１との間隔によって規定される。吸着ローラ２０とラミネートローラ５１との間隔はラミネートローラ５１を支持するシリンダーによって調整される。
【００８９】
電解質膜２の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体が吸着ローラ２０およびラミネートローラ５１から押圧されることによって、支持フィルム７が電解質膜２の裏面に貼り合わされるラミネート処理が進行する。図１３は、支持フィルム７が貼り合わされた電解質膜２の断面図である。支持フィルム７は、電解質膜２の裏面のうち触媒層９が形成されていない領域（非塗工領域）にて電解質膜２に貼り付く。その一方、支持フィルム７は触媒層９には貼り付かない。
【００９０】
また、ラミネートローラ５１はヒータ９５によって所定の温度に温調されている。ヒータ９５によって温調されたラミネートローラ５１が電解質膜２を加熱することによって、電解質膜２の粘着力を高めて支持フィルム７が電解質膜２に確実に貼り付くこととなる。ヒータ９５による温調温度は電解質膜２の粘着力に依存している。具体的には、電解質膜２自体の粘着力が弱いほどヒータ９５はラミネートローラ５１を高温に温調する。電解質膜２自体の粘着力が十分に強く、特段に加熱しなくても支持フィルム７が電解質膜２に貼り付く場合には、ヒータ９５がラミネートローラ５１を常温に温調すれば足りる。逆に、電解質膜２自体の粘着力が弱く、加熱しなければ支持フィルム７が電解質膜２に貼り付かないような場合には、ヒータ９５がラミネートローラ５１を高温に温調する。
【００９１】
但し、ヒータ９５がラミネートローラ５１を温調する温度の上限は、触媒層９に含有されている上記アイオノマーのガラス転移点Ｔｇである。これは、ラミネートローラ５１の温調温度が触媒層９に含有されているアイオノマーのガラス転移点Ｔｇを超えると、ラミネートローラ５１によって加熱された触媒層９が溶融して支持フィルム７に貼り付くおそれがあるためである。すなわち、ヒータ９５は、ラミネートローラ５１を常温以上、触媒層９に含有されているアイオノマーのガラス転移点Ｔｇ以下に温調するのである。
【００９２】
ラミネートローラ５１は、支持フィルム７を電解質膜２の裏面に貼り合わせるとともに、支持フィルム７を貼り合わせた当該電解質膜２の表面を吸着ローラ２０の外周面から剥離する。そして、吸着ローラ２０およびラミネートローラ５１によるラミネート処理により支持フィルム７が貼り合わされた膜・触媒層接合体５は、テンション検知ローラ５３に懸架されて接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる（ステップＳ７）。支持フィルム７が貼り合わされて吸着ローラ２０から剥離されてから接合体巻取ローラ５６に至るまでの支持フィルム７付き膜・触媒層接合体５の張力はテンション検知ローラ５３によって検知され、その測定値が予め設定された値となるように接合体巻取ローラ５６の回転が制御される。支持フィルム７付きの膜・触媒層接合体５が接合体巻取ローラ５６によって巻き取られることにより、一連の膜・触媒層接合体５の製造プロセスが完了する。なお、テンション検知ローラ５３は、支持フィルム７と接触するため、つまり電解質膜２とは直接には接触しないため、テンション検知ローラ５３との接触によって電解質膜２が変形することは防止される。
【００９３】
ところで、上記の製造装置１においては、吸着ローラ２０の外周面の一部を覆うように乾燥炉４０を設け、触媒インク層８の乾燥のために吸着ローラ２０の外周面に熱風を吹き付けている。このため、多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２０が徐々に蓄熱して昇温する。吸着ローラ２０が所定値を超えて高温になると、塗工ノズル３０から電解質膜２に塗工された触媒インクが直ちに加熱されて急激に乾燥し、触媒インク層８の表面にクラックが生じるおそれがある。
【００９４】
このため、吸着ローラ２０に複数の水冷管２２を設け（図３）、その水冷管２２に恒温水を流すことによって吸着ローラ２０を冷却して所定値以上に昇温するのを防いでいる。但し、多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２０は熱伝導度が低い場合もあり、しかも乾燥炉４０は吸着ローラ２０の外周面に熱風を吹き付けるため、当該外周面の温度上昇を十分に抑制できない場合もあり得る。
【００９５】
このような場合であっても、表面冷却部６０（図１）から吸着ローラ２０の外周面に向けて冷却エアーを吹き付けることにより、乾燥炉４０からの熱風により蓄熱された吸着ローラ２０の外周面を冷却して除熱することができる。これにより、塗工ノズル３０から電解質膜２に塗工された触媒インクが直ちに加熱されるのを防ぐことができる。
【００９６】
本実施形態においては、電解質膜巻出ローラ１２からバックシート６付きにて電解質膜２が送り出され、剥離ローラ１１によって電解質膜２の表面を吸着ローラ２０に吸着させた状態でバックシート６を剥離している。そして、電解質膜２を吸着ローラ２０に吸着支持した状態で搬送しつつ、電解質膜２の裏面に触媒インクを塗工して触媒インク層８を形成し、それに熱風を吹き付けて乾燥させて触媒層９としている。その後、触媒層９の形成された電解質膜２の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体を吸着ローラ２０とラミネートローラ５１との間に挟み込んで支持フィルム７を電解質膜２の裏面に貼り合わせている。
【００９７】
従って、電解質膜巻出ローラ１２から吸着ローラ２０を経て接合体巻取ローラ５６に至るまでロール・ツー・ロール（roll-to-roll）で搬送される電解質膜２は、常に何らかの部材によって連続的に支持されている。具体的には、初期段階では電解質膜２の裏面がバックシート６によって支持され、バックシート６が剥離されるときには電解質膜２の表面が吸着ローラ２０の外周面によって支持される。そして、触媒層９の乾燥後に電解質膜２が吸着ローラ２０から離れるときには電解質膜２の裏面に支持フィルム７が貼り合わされて支持され、その支持フィルム７が貼り合わされた状態で接合体巻取ローラ５６に巻き取られる。
【００９８】
既述したように、製造装置１にて使用される電解質膜２は、非常に薄くて機械的強度が弱く、大気中の少量の湿気によっても容易に膨潤する一方で湿度が低くなると収縮するという特性を有しており、極めて変形しやすい。何らの支持もしていない電解質膜２に触媒インクを塗布すると、触媒インクに含まれる溶媒によって電解質膜２が膨潤し、触媒インクが乾燥されるときには電解質膜２も収縮する。また、乾燥炉４０で触媒層９が十分には乾燥されていない場合には、乾燥炉４０での乾燥処理後にも電解質膜２が膨潤・収縮することがある。電解質膜２が膨潤・収縮すると、電解質膜２に皺やピンホールが発生するおそれがある。すなわち、特に、溶媒を含む触媒インクが塗工された以降において、電解質膜２の膨潤・収縮が生じやすく、皺やピンホールの発生が問題となる。電解質膜２にこのような皺やピンホールが発生すると、燃料電池の発電性能を低下させる要因となる。
【００９９】
本実施形態においては、触媒インクを塗工するときには電解質膜２を吸着ローラ２０によって吸着支持するとともに、その後に電解質膜２が吸着ローラ２０から離れた後も支持フィルム７によって電解質膜２を連続的に支持している。従って、触媒インクの塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。その結果、本発明に係る製造装置１によって製造された膜・触媒層接合体５を使用した燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
【０１００】
また、製造装置１では、触媒インクの塗工時以降のみならず、電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から送り出されてから接合体巻取ローラ５６に巻き取られるまで常に何らかの部材によって連続的に支持されている。このため、膜・触媒層接合体５の一連の製造工程の全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。
【０１０１】
また、製造装置１では、接合体巻取ローラ５６によって支持フィルム７付き膜・触媒層接合体５がロール状に巻き取られることにより、電解質膜２は密閉状態にて保管されることとなる。電解質膜２は支持フィルム７が貼り合わされていたとしても、大気中に暴露した状態でそれを放置していると、大気中の水分を吸収して電解質膜２が変形することがある。本実施形態のように、支持フィルム７付き膜・触媒層接合体５をロール状に巻き取って電解質膜２を密閉状態として保管することにより、大気中の水分を吸収して電解質膜２が変形するのを防止することができる。
【０１０２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、電解質膜２の裏面からバックシート６を剥離してその裏面に触媒層９を形成して支持フィルム７を貼り合わせるようにしていたが、電解質膜２の表面に触媒層９を形成して支持フィルム７を貼り合わせるようにしても良い。既述したように、電解質膜２の表面と裏面とは単なる便宜上の区別にすぎず、電解質膜２の一方面に触媒層９を形成して支持フィルム７を貼り合わせる形態であれば良い。
【０１０３】
また、上記実施形態においては、吸着ローラ２０の外周面とラミネートローラ５１との間隔によって電解質膜２の裏面に支持フィルム７を重ね合わせた積層体を押圧する力を規定していたが、これに代えて、ラミネートローラ５１を支持するシリンダーの圧力によって押圧力を調整するようにしても良い。
【０１０４】
また、支持フィルム７としては剥離部１０が剥離してバックシート巻取ローラ１４によって巻き取ったバックシート６を再利用するのが好ましいが、バックシート６とは別に支持フィルム７を準備するようにしても良い。特に、バックシート６の幅が電解質膜２の幅と等しい場合には、そのバックシート６を支持フィルム７として再利用すると、支持フィルム７の幅方向端部における貼り付けが不安定となるため、このような場合には、電解質膜２よりも幅の広い支持フィルム７を用いるのが好ましい。
【０１０５】
また、上記各実施形態においては、乾燥炉４０に３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３を設けていたが、乾燥ゾーンの分割数は３つに限定されるものではなく、２つであっても良いし、４つ以上であっても良い。いずれであっても、乾燥炉４０が吹き付ける熱風の温度は、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向の上流側から下流側に向けて順次に高くなる。
【０１０６】
また、隣り合う乾燥ゾーンの間に上記実施形態と同様の熱遮断ゾーンを設けるようにしても良い。このようにすれば、隣り合う乾燥ゾーンから吹き出された熱風の相互干渉を防止することができる。
【０１０７】
また、乾燥炉４０は、熱風を吹き付けて触媒インク層８の乾燥を行うようにしていたが、これに代えて、遠赤外線ヒータなどによって触媒インク層８の乾燥を行うようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、膨潤・収縮によって容易に変形する高分子電解質膜に触媒インクを塗工して乾燥させることにより当該電解質膜上に触媒層を形成する固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体の製造に好適である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  製造装置
２  電解質膜
５  膜・触媒層接合体
６  バックシート
７  支持フィルム
９  触媒層
１０  剥離部
１１  剥離ローラ
１２  電解質膜巻出ローラ
１３，１５，５２，５３  テンション検知ローラ
１４  バックシート巻取ローラ
２０  吸着ローラ
２１  吸引口
２２  水冷管
３０  塗工ノズル
３５  塗工液供給機構
４０  乾燥炉
４１，４２，４３  乾燥ゾーン
４４，４５  熱遮断ゾーン
５０  貼付部
５１  ラミネートローラ
５５  支持フィルム巻出ローラ
５６  接合体巻取ローラ
６０  表面冷却部
９０  制御部
９５  ヒータ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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