(57)【要約】【課題】膜・電極接合体の製造工程において、炭化水素系の高分子電解質膜に支持フィルムを貼り付けることができる技術を提供する。【解決手段】この支持フィルム９３は、炭化水素系の高分子電解質膜９０に貼り付けられる支持フィルムであって、一方側の表面が粘着力を有する。炭化水素系の高分子電解質膜は、従来のフッ素系の高分子電解質膜と比べて、粘着性が小さい。このため、従来支持フィルムとして用いられるＰＥＴフィルムやＰＥＮフィルムをそのまま熱ラミネート処理したとしても、電解質膜と支持フィルムとが貼り付かず、電解質膜を適切に支持することができない。そこで、表面に粘着力を有するフィルムを支持フィルム９３として用いることにより、炭化水素系の高分子電解質膜９０に貼り付いて、適切に支持することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の高分子電解質膜に貼り付けられる支持フィルムであって、
一方側の表面が粘着力を有する、支持フィルム。
【請求項２】
請求項１に記載の支持フィルムであって、
基材層と、
前記基材層の表面を覆う、粘着剤からなる粘着層と、
を有する、支持フィルム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の支持フィルムであって、
前記表面の粘着力が、０．０２Ｎ／ｃｍ以上かつ０．０８Ｎ／ｃｍ以下である、支持フィルム。
【請求項４】
少なくとも一方側の表面に燃料電池用電極層が形成された炭化水素系の高分子電解質膜に支持フィルムを貼り付ける貼り付け方法であって、
前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面と、
を接触させることにより、前記電解質膜に前記支持フィルムを貼り付ける、貼り付け方法。
【請求項５】
請求項４に記載の貼り付け方法であって、
摂氏２０度以上かつ摂氏５０度以下の温度で、前記電解質膜に前記支持フィルムを貼り付ける、貼り付け方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の貼り付け方法であって、
前記電解質膜と前記支持フィルムとを、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上かつ０．６Ｎ／ｍｍ２以下の押圧力で押圧しつつ貼り付ける、貼り付け方法。
【請求項７】
長尺帯状の炭化水素系の高分子電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造方法であって、
ａ）外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラに向けて長尺帯状の前記電解質膜を繰り出し、前記吸着ローラの前記外周面に保持する工程と、
ｂ）前記吸着ローラの前記外周面に保持された前記電解質膜の表面に電極材料を塗布し、前記電極層を形成する工程と、
ｃ）前記電解質膜を前記吸着ローラから離間させ、前記電解質膜に支持フィルムを貼り付ける工程と、
を有し、
前記支持フィルムは、少なくとも一方側の表面が粘着力を有し、
前記工程ｄ）において、前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面とを接触させて貼り付ける、膜・電極接合体の製造方法。
【請求項８】
長尺帯状の炭化水素系の高分子電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造装置であって、
外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラと、
前記吸着ローラの外周面に向けて、前記電解質膜を繰り出す電解質膜供給ローラと、
前記吸着ローラの外周面から離れる前記電解質膜と、支持フィルムとを貼り付ける貼付部と、
前記支持フィルムによって支持された前記電解質膜を巻き取る電解質膜回収ローラと、
前記吸着ローラの周囲において、前記電解質膜の表面に電極材料を塗布して前記電極層を形成する電極形成部と、
を備え、
前記支持フィルムは、少なくとも一方側の表面が粘着力を有し、
前記貼付部は、前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面とを接触させて貼り付ける、膜・電極接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系の高分子電解質膜に貼り付けられる支持フィルム、炭化水素系の高分子電解質膜に当該支持フィルムを貼り付ける貼り付け方法、ならびに、炭化水素系の高分子電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や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る。燃料電池は、他の電池と比べて、発電効率が高く環境への負荷が小さ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する。そのうちの１つが、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）である。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が積層された構造を有する。１つのセルは、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むことにより構成される。膜・電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを有する。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方がカソード電極となる。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と、電気化学反応によって電力が発生する。
【０００５】
上記の膜・電極接合体は、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）を塗布し、その触媒インクを乾燥させることによって作成される。従来の膜・電極接合体の製造技術については、例えば、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１４２８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の製造装置では、バックシートが貼り付けられた電解質膜からバックシートを剥離した後に、吸着ローラの外周面に、多孔質基体を介して電解質膜が保持される。そして、吸着ローラを回転させることによって、多孔質基体および電解質膜を搬送しつつ、ノズルから触媒インクを吐出することによって、電解質膜の表面に触媒インクを塗布し、電極層を形成する。その後、電解質膜の表面に支持フィルムを貼り付けて、当該積層体を回収する。
【０００８】
この製造装置では、電解質膜として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質等の所謂フッ素系の高分子電解質膜が用いられる。また、支持フィルムとして、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ラート）等のフィルムが用いられる。このようなフッ素系の電解質膜は、電解質膜自体がタック性（粘着性）を有しているため、熱ラミネート処理を行えば、粘着性の小さいＰＥＮやＰＥＴ等の支持フィルムと貼り付けることが可能である。
【０００９】
しかしながら、炭化水素系の高分子電解質膜は、電解質膜自体の粘着性が小さいため、ＰＥＮやＰＥＴ等の支持フィルムと貼り付けるのは困難である。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、膜・電極接合体の製造工程において、炭化水素系の高分子電解質膜に支持フィルムを貼り付けることができる技術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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本願の第１発明は、炭化水素系の高分子電解質膜に貼り付けられる支持フィルムであって、一方側の表面が粘着力を有する。
【００１２】
本願の第２発明は、第１発明の支持フィルムであって、基材層と、前記基材層の表面を覆う、粘着剤からなる粘着層と、を有する。
【００１３】
本願の第３発明は、第１発明または第２発明の支持フィルムであって、前記表面の粘着力が、０．０２Ｎ／ｃｍ以上かつ０．０８Ｎ／ｃｍ以下である。
【００１４】
本願の第４発明は、少なくとも一方側の表面に燃料電池用電極層が形成された炭化水素系の高分子電解質膜に支持フィルムを貼り付ける貼り付け方法であって、前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、第１発明ないし第３発明のいずれかの前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面と、を接触させることにより、前記電解質膜に前記支持フィルムを貼り付ける。
【００１５】
本願の第５発明は、第４発明の貼り付け方法であって、摂氏２０度以上かつ摂氏５０度以下の温度で、前記電解質膜に前記支持フィルムを貼り付ける。
【００１６】
本願の第６発明は、第４発明または第５発明の貼り付け方法であって、前記電解質膜と前記支持フィルムとを、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上かつ０．６Ｎ／ｍｍ２以下の押圧力で押圧しつつ貼り付ける。
【００１７】
本願の第７発明は、長尺帯状の炭化水素系の高分子電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造方法であって、ａ）外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラに向けて長尺帯状の前記電解質膜を繰り出し、前記吸着ローラの前記外周面に保持する工程と、ｂ）前記吸着ローラの前記外周面に保持された前記電解質膜の表面に電極材料を塗布し、前記電極層を形成する工程と、ｃ）前記電解質膜を前記吸着ローラから離間させ、前記電解質膜に支持フィルムを貼り付ける工程と、を有し、前記支持フィルムは、少なくとも一方側の表面が粘着力を有し、前記工程ｄ）において、前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面とを接触させて貼り付ける。
【００１８】
本願の第８発明は、長尺帯状の炭化水素系の高分子電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造装置であって、外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラと、前記吸着ローラの外周面に向けて、前記電解質膜を繰り出す電解質膜供給ローラと、前記吸着ローラの外周面から離れる前記電解質膜と、支持フィルムとを貼り付ける貼付部と、前記支持フィルムによって支持された前記電解質膜を巻き取る電解質膜回収ローラと、前記吸着ローラの周囲において、前記電解質膜の表面に電極材料を塗布して前記電極層を形成する電極形成部と、を備え、前記支持フィルムは、少なくとも一方側の表面が粘着力を有し、前記貼付部は、前記電解質膜の前記電極層が形成された面と、前記支持フィルムの粘着力を有する前記表面とを接触させて貼り付ける。
【発明の効果】
【００１９】
本願の第１発明〜第８発明によれば、表面に粘着力を有するフィルムを炭化水素系の高分子電解質膜の支持フィルムとして用いる。炭化水素系の高分子電解質膜は、従来のフッ素系の高分子電解質膜と比べて、粘着性が小さい。このため、従来支持フィルムとして用いられるＰＥＴフィルムやＰＥＮフィルムをそのまま熱ラミネート処理したとしても、電解質膜と支持フィルムとが貼り付かず、電解質膜を適切に支持することができない。このため、表面に粘着力を有する
支持フィルムとして用いることにより、に貼り付いて、適切に支持することができる。
【００２０】
特に、本願の第３発明、第５発明および第６発明によれば、当該範囲において、支持フィルムが電解質膜と粘着して電解質膜を適切に支持できるとともに、電極部の転写が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】膜・電極接合体の製造装置の構成を示した図である。
【図２】吸着ローラの下部付近の拡大図である。
【図３】制御部と各部との接続を示したブロック図である。
【図４】支持フィルムの粘着力毎の粘着状況および転写状況を示した図である。
【図５】貼付部における押圧力毎の粘着状況および転写状況を示した図である。
【図６】ラミネートローラの表面温度毎の粘着状況および転写状況を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
＜１．膜・電極接合体の製造装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る膜・電極接合体の製造装置１の構成を示した図である。この製造装置１は、長尺帯状の薄膜である電解質膜９０を搬送しつつ、電解質膜９０の表面に電極層を形成して、固体高分子形燃料電池用の膜・電極接合体を製造する装置である。図１に示すように、本実施形態の膜・電極接合体の製造装置１は、吸着ローラ１０と、多孔質基材供給回収部２０と、電解質膜供給部３０と、電極層形成部４０と、貼付部５０を有する接合体回収部６０と、制御部７０とを備えている。
【００２４】
吸着ローラ１０は、多孔質基材９１および電解質膜９０を外周面の一部に吸着保持しつつ回転するローラである。吸着ローラ１０は、複数の吸着孔を有する円筒状の外周面を有する。吸着ローラ１０の直径は、例えば、２００ｍｍ〜１６００ｍｍである。図２は、吸着ローラ１０の下部付近の拡大図である。図２中に破線で示したように、吸着ローラ１０には、モータ等の駆動源を有する回転駆動部１１が接続される。回転駆動部１１を動作させると、吸着ローラ１０は、水平に延びる回転軸を中心として回転する。
【００２５】
吸着ローラ１０の材料には、例えば、多孔質カーボンや多孔質セラミックス等の多孔質材料が用いられる。多孔質セラミックスの具体例としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体が挙げられる。多孔質の吸着ローラ１０における気孔径は、例えば５μｍ以下とされ、気孔率は、例えば１５％〜５０％とされる。
【００２６】
なお、吸着ローラ１０の材料に、多孔質材料に代えて、ＳＵＳ等のステンレスや鉄等の金属を用いてもよい。吸着ローラ１０の材料に金属を用いる場合には、加工により、吸着ローラ１０の内部と外周面の吸着孔とを繋ぐ微小な気孔を形成する。吸着痕の発生を防止するために、吸着ローラ１０の外周面の吸着孔の直径は、２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２７】
吸着ローラ１０の端面には、吸引口１２が設けられる。吸引口１２は、図示を省略した吸引機構に接続される。吸引機構には、例えば、排気ポンプが用いられる。吸引機構を動作させると、吸引口１２を介して吸着ローラ１０内の気体が吸引され、吸着ローラ１０の内部に負圧が生じる。そして、気孔を介して、吸着ローラ１０の外周面に設けられた複数の吸着孔にも、負圧が発生する。多孔質基材９１および電解質膜９０は、当該負圧によって、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって円弧状に搬送される。
【００２８】
また、図２中に破線で示すように、吸着ローラ１０の内部には、複数の水冷管１３が設けられる。水冷管１３には、図示を省略した給水機構から、所定温度に温調された冷却水が供給される。製造装置１の動作時には、吸着ローラ１０の熱が、熱媒体である冷却水に吸収される。これにより、吸着ローラ１０が冷却される。熱を吸収した冷却水は、図外の排液機構へ排出される。
【００２９】
なお、後述する乾燥炉４２に代えて、吸着ローラ１０の内部に、温水循環機構やヒータなどの加熱機構が設けられていてもよい。その場合、吸着ローラ１０の内部に水冷管を設けず、吸着ローラ１０の内部に設けられた加熱機構を制御することによって、吸着ローラ１０の外周面の温度を制御してもよい。
【００３０】
多孔質基材供給回収部２０は、長尺帯状の多孔質基材９１を吸着ローラ１０へ向けて供給するとともに、使用後の多孔質基材９１を回収する部位である。多孔質基材９１は、多数の微細な気孔を有する通気可能な基材である。多孔質基材９１は、粉塵が発生しにくい材料で形成されていることが好ましい。図１に示すように、多孔質基材供給回収部２０は、多孔質基材供給ローラ２１、複数の多孔質基材搬入ローラ２２、複数の多孔質基材搬出ローラ２３および多孔質基材回収ローラ２４を有する。多孔質基材供給ローラ２１、複数の多孔質基材搬入ローラ２２、複数の多孔質基材搬出ローラ２３および多孔質基材回収ローラ２４は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。複数の多孔質基材搬入ローラ２２および複数の多孔質基材搬出ローラ２３は、それぞれ多孔質基材９１の搬入経路および搬出経路を構成する。
【００３１】
供給前の多孔質基材９１は、多孔質基材供給ローラ２１に巻き付けられている。多孔質基材供給ローラ２１は、図示を省略したモータの動力により回転する。多孔質基材供給ローラ２１が回転すると、多孔質基材９１は、多孔質基材供給ローラ２１から繰り出される。繰り出された多孔質基材９１は、複数の多孔質基材搬入ローラ２２により案内され、搬入経路に沿って吸着ローラ１０の外周面まで搬送される。そして、多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。なお、図２では、理解容易のため、吸着ローラ１０と、吸着ローラ１０に保持される多孔質基材９１とが、間隔を空けて図示されている。
【００３２】
多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の軸心を中心として、１８０°以上、好ましくは２７０°以上搬送される。その後、多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の外周面から離れる。吸着ローラ１０から離れた多孔質基材９１は、複数の多孔質基材搬出ローラ２３により案内され、搬出経路に沿って多孔質基材回収ローラ２４まで搬送される。多孔質基材回収ローラ２４は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、使用後の多孔質基材９１が、多孔質基材回収ローラ２４に巻き取られる。
【００３３】
電解質膜供給部３０は、電解質膜９０およびバックシート９２の２層で構成される積層基材９２０を、吸着ローラ１０の周囲へ供給するとともに、電解質膜９０からバックシート９２を剥離する部位である。
【００３４】
電解質膜９０は、炭化水素系の高分子電解質膜である。炭化水素系の高分子電解質膜は、具体的には、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーからなる高分子電解質材により構成される。電解質膜９０の膜厚は、例えば、５μｍ〜３０μｍである。電解質膜９０は、大気中の湿気によって膨潤する一方、湿度が低くなると収縮する。すなわち、電解質膜９０は、大気中の湿度に応じて変形しやすい性質を有する。
【００３５】
バックシート９２は、電解質膜９０の変形を抑制するためのフィルムである。バックシート９２の材料には、電解質膜９０よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。バックシート９２には、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）のフィルムが用いられる。バックシート９２の膜厚は、例えば２５μｍ〜１００μｍとされる。なお、バックシート９２には、後述する支持フィルム９３と同様のフィルムが用いられてもよい。
【００３６】
図１に示すように、電解質膜供給部３０は、積層基材供給ローラ３１（電解質膜供給ローラ）、複数の積層基材搬入ローラ３２、剥離ローラ３３、複数のバックシート搬出ローラ３４およびバックシート回収ローラ３５を有する。積層基材供給ローラ３１、複数の積層基材搬入ローラ３２、剥離ローラ３３、複数のバックシート搬出ローラ３４およびバックシート回収ローラ３５は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。
【００３７】
供給前の積層基材９２０は、バックシート９２が内側となるように、積層基材供給ローラ３１に巻き付けられている。本実施形態では、電解質膜９０の、バックシート９２とは反対側の面（以下、「第１面」と称する）に、予め電極層（以下、「第１電極層９ａ」と称する）が形成されている。第１電極層９ａは、この製造装置１とは別の装置において、バックシート９２および電解質膜９０の２層で構成される積層基材９２０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９０の第１面に電極材料を間欠塗布し、塗布された電極材料を乾燥させることによって形成される。
【００３８】
積層基材供給ローラ３１は、吸着ローラ１０の外周面に保持された多孔質基材９１の表面に向けて、電解質膜９０を繰り出す電解質膜供給ローラの役割を果たす。積層基材供給ローラ３１は、図示を省略したモータの動力により回転する。積層基材供給ローラ３１が回転すると、積層基材９２０は、積層基材供給ローラ３１から繰り出される。繰り出された積層基材９２０は、複数の積層基材搬入ローラ３２により案内され、搬入経路に沿って剥離ローラ３３まで搬送される。
【００３９】
剥離ローラ３３は、電解質膜９０からバックシート９２を剥離するためのローラである。剥離ローラ３３は、吸着ローラ１０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。剥離ローラ３３の少なくとも外周面は、弾性体により形成される。剥離ローラ３３は、吸着ローラ１０に対する多孔質基材９１の導入位置よりも、吸着ローラ１０の回転方向のやや下流側において、吸着ローラ１０に隣接配置されている。また、剥離ローラ３３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。
【００４０】
図２に示すように、複数の積層基材搬入ローラ３２により搬入される積層基材９２０は、吸着ローラ１０と剥離ローラ３３との間へ導入される。このとき、電解質膜９０の第１面は、第１電極層９ａとともに、吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９１の表面に接触し、バックシート９２は、剥離ローラ３３の外周面に接触する。また、積層基材９２０は、剥離ローラ３３から受ける圧力で、吸着ローラ１０側へ押し付けられる。
【００４１】
吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９１の表面には、吸着ローラ１０からの吸引力によって、負圧が生じる。電解質膜９０は、当該負圧によって、多孔質基材９１の表面に吸着される。一方、吸着ローラ１０と剥離ローラ３３との間を通過したバックシート９２は、吸着ローラ１０から離れて、複数のバックシート搬出ローラ３４側へ搬送される。これにより、電解質膜９０からバックシート９２が剥離される。その結果、電解質膜９０の第１面とは反対側の面（以下、「第２面」と称する）が露出する。
【００４２】
そして、電解質膜９０は、多孔質基材９１とともに吸着ローラ１０に保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。なお、図２では、理解容易のため、吸着ローラ１０に保持される多孔質基材９１と電解質膜９０とが、間隔を空けて図示されている。
【００４３】
剥離されたバックシート９２は、複数のバックシート搬出ローラ３４により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、バックシート回収ローラ３５まで搬送される。バックシート回収ローラ３５は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、バックシート９２が、バックシート回収ローラ３５に巻き取られる。
【００４４】
このように、本実施形態では、吸着ローラ１０の外周面と電解質膜９０との間に、多孔質基材９１を介在させる。このため、吸着ローラ１０の外周面と、電解質膜９０の第１面に形成された第１電極層９ａとは、直接接触しない。したがって、第１電極層９ａの一部が吸着ローラ１０の外周面に付着したり、吸着ローラ１０の外周面に付着した異物が電解質膜９０へ転載されたりすることを、防止できる。
【００４５】
電極層形成部４０は、図１に示すように、ノズル４１０を有する塗布部４１と、乾燥炉４２とを有する。塗布部４１は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９０の表面に電極材料を塗布する機構である。電極材料には、例えば、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が用いられる。ノズル４１０は、吸着ローラ１０による電解質膜９０の搬送方向において、剥離ローラ３３よりも下流側に設けられている。ノズル４１０は、吸着ローラ１０の外周面に対向する吐出口４１１を有する。吐出口４１１は、吸着ローラ１０の外周面に沿って、水平に延びるスリット状の開口である。
【００４６】
ノズル４１０は、図示を省略した電極材料供給源と接続されている。塗布部４１を駆動させると、電極材料供給源から配管を通ってノズル４１０に、電極材料が供給される。そして、ノズル４１０の吐出口４１１から電解質膜９０の第２面に向けて、電極材料が吐出される。これにより、電解質膜９０の第２面に、電極材料が塗布される。
【００４７】
本実施形態では、電極材料供給源とノズル４１０との間において配管に介挿されるバルブを一定の周期で開閉することによって、ノズル４１０の吐出口４１１から、電極材料を断続的に吐出する。これにより、電解質膜９０の第２面に、電極材料を搬送方向に一定の間隔で間欠塗布する。ただし、バルブを連続的に開放して、電解質膜９０の第２面に、搬送方向に切れ目無く電極材料を塗布してもよい。
【００４８】
なお、電極材料中の触媒粒子には、高分子形燃料電池のアノードまたはカソードにおいて燃料電池反応を起こす材料が用いられる。具体的には、白金（Ｐｔ）、白金合金、白金化合物等の粒子を、触媒粒子として用いることができる。白金合金の例としては、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る少なくとも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、カソード用の電極材料には白金が用いられ、アノード用の電極材料には白金合金が用いられる。ノズル４１０から吐出される電極材料は、カソード用であってもアノード用であってもよい。ただし、電解質膜９０の表裏に形成される電極層９ａ，９ｂには、互いに逆極性の電極材料が用いられる。
【００４９】
塗布部４１のノズル４１０や配管は、定期的に分解洗浄等のメンテナンスを行う必要がある。このため、この製造装置１は、塗布部４１のメンテナンスを行うためのメンテナンススペース４３を有する。本実施形態では、塗布部４１とバックシート回収ローラ３５との間に、メンテナンススペース４３が配置されている。塗布部４１のメンテナンスを行うときには、メンテナンススペース４３に設けられた足場４３１の上に作業者４４が立って、塗布部４１を構成する部品の洗浄等を行う。
【００５０】
乾燥炉４２は、電解質膜９０の第２面に塗布された電極材料を乾燥させる部位である。本実施形態の乾燥炉４２は、吸着ローラ１０による電解質膜９０の搬送方向において、塗布部４１よりも下流側に配置されている。また、乾燥炉４２は、吸着ローラ１０の外周面に沿って、円弧状に設けられている。乾燥炉４２は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９０の第２面に、加熱された気体（熱風）を吹き付ける。これにより、電解質膜９０の第２面に塗布された電極材料が加熱され、電極材料中の溶剤が気化する。したがって、電極材料が乾燥して、電解質膜９０の第２面に電極層（以下、「第２電極層９ｂ」と称する）が形成される。その結果、電解質膜９０、第１電極層９ａおよび第２電極層９ｂで構成される膜・電極接合体９００が得られる。
【００５１】
接合体回収部６０は、膜・電極接合体９００に支持フィルム９３を貼り付けて、膜・電極接合体９００を含む積層接合体９３０を回収する部位である。接合体回収部６０は、貼付部５０を含む。貼付部５０は、多孔質基材９１の表面から離れた電解質膜９０と、支持フィルム９３とを貼り付ける部位である。すなわち、貼付部５０は、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３とを貼り付けて、積層接合体９３０とを形成する。
【００５２】
図１に示すように、接合体回収部６０は、支持フィルム供給ローラ６１、複数の支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、押圧ローラ６４、複数の接合体搬出ローラ６５および接合体回収ローラ６６（電解質膜回収ローラ）を有する。支持フィルム供給ローラ６１、複数の支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、押圧ローラ６４、複数の接合体搬出ローラ６５および接合体回収ローラ６６は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。
【００５３】
供給前の支持フィルム９３は、支持フィルム供給ローラ６１に巻き付けられている。支持フィルム供給ローラ６１は、図示を省略したモータの動力により回転する。支持フィルム供給ローラ６１が回転すると、支持フィルム９３は、支持フィルム供給ローラ６１から繰り出される。繰り出された支持フィルム９３は、複数の支持フィルム搬入ローラ６２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、ラミネートローラ６３まで搬送される。
【００５４】
支持フィルム９３の材料には、電解質膜９０よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。支持フィルム９３の詳細については、後述する。
【００５５】
ラミネートローラ６３は、膜・電極接合体９００に支持フィルム９３を貼り付けるためのローラである。ラミネートローラ６３の材料には、例えば、耐熱性の高いゴムが用いられる。ラミネートローラ６３は、吸着ローラ１０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。ラミネートローラ６３は、吸着ローラ１０の回転方向において、乾燥炉４２よりも下流側、かつ、吸着ローラ１０から多孔質基材９１が離れる位置よりも上流側において、吸着ローラ１０に隣接配置されている。また、ラミネートローラ６３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。
【００５６】
図２に示すように、本実施形態では、ラミネートローラ６３の内部には、通電により発熱するヒータ６３１が設けられている。ヒータ６３１には、例えば、シーズヒータが用いられる。ヒータ６３１に通電すると、ヒータ６３１から生じる熱によって、ラミネートローラ６３の外周面が、環境温度よりも高い所定の温度に温調される。なお、ラミネートローラ６３の外周面の温度を放射温度計等の温度センサを用いて測定し、その測定結果に基づいて、ラミネートローラ６３の外周面が一定の温度となるように、ヒータ６３１の出力を制御してもよい。なお、ラミネートローラ６３は、ヒータ６３１等の加熱機構を有していなくてもよい。
【００５７】
複数の支持フィルム搬入ローラ６２により搬入される支持フィルム９３は、図２に示すように、吸着ローラ１０の周囲において搬送される膜・電極接合体９００とラミネートローラ６３との間へ導入される。このとき、支持フィルム９３は、ラミネートローラ６３からの圧力により、膜・電極接合体９００に押し付けられるとともに、ラミネートローラ６３の熱により加熱される。その結果、膜・電極接合体９００を構成する電解質膜９０の第２面に、支持フィルム９３が貼り付けられる。電解質膜９０の第２面に形成された第２電極層９ｂは、電解質膜９０と支持フィルム９３との間に挟まれる。これにより、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３とが積層した積層接合体９３０が形成される。
【００５８】
吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間を通過した積層接合体９３０は、吸着ローラ１０から離れる方向へ搬送される。これにより、多孔質基材９１から膜・電極接合体９００が剥離される。
【００５９】
また、本実施形態では、図２に示すように、ラミネートローラ６３の近傍に、押圧ローラ６４が配置されている。押圧ローラ６４は、吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間の隙間よりも、膜・電極接合体９００の搬送方向下流側において、ラミネートローラ６３に隣接配置されている。また、押圧ローラ６４は、図示を省略したエアシリンダによって、ラミネートローラ６３側へ加圧されている。多孔質基材９１から離れた積層接合体９３０は、続いて、ラミネートローラ６３と押圧ローラ６４との間を通過する。これにより、膜・電極接合体９００の第２面に対する支持フィルム９３の密着性が向上する。
【００６０】
このように、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３とは、吸着ローラ１０およびラミネートローラ６３によって押圧されるとともに、ラミネートローラ６３および押圧ローラ６４によって押圧される。このように、搬送方向の２箇所において押圧されることにより、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３との密着性が高まり、互いに貼り付く。すなわち、吸着ローラ１０のラミネートローラ６３と対向する箇所と、ラミネートローラ６３と、押圧ローラ６４とにより、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３とを貼り付ける貼付部５０が構成される。貼付部５０では、電解質膜９０の第２電極層９ｂが形成された面と、支持フィルム９３の粘着力を有する表面とを接触させることにより、電解質膜９０に支持フィルム９３を貼り付ける。
【００６１】
なお、吸着ローラ１０およびラミネートローラ６３による押圧で十分に密着性を高めることができる場合、押圧ローラ６４を省略してもよい。その場合、吸着ローラ１０のラミネートローラ６３と対向する箇所と、ラミネートローラ６３とにより、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３とを貼り付ける貼付部５０が構成される。
【００６２】
その後、積層接合体９３０は、複数の接合体搬出ローラ６５により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、接合体回収ローラ６６まで搬送される。接合体回収ローラ６６は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、積層接合体９３０が、支持フィルム９３が外側となるように、接合体回収ローラ６６に巻き取られる。
【００６３】
このように、本実施形態の製造装置１では、積層基材供給ローラ３１からの積層基材９２０の繰り出し、電解質膜９０からのバックシート９２の剥離、電解質膜９０への電極材料の塗布、電極材料の乾燥、電解質膜９０への支持フィルム９３の貼り付け、接合体回収ローラ６６への膜・電極接合体９００を含む積層接合体９３０の巻取り、の各工程が、順次に実行される。これにより、固体高分子形燃料電池の電極に用いられる膜・電極接合体９００が製造される。電解質膜９０は、バックシート９２、吸着ローラ１０、または支持フィルム９３に、常に保持されている。これにより、製造装置１における電解質膜９０の膨潤・収縮等の変形が抑制される。
【００６４】
制御部７０は、製造装置１内の各部を動作制御するための手段である。図３は、制御部７０と、製造装置１内の各部との接続を示したブロック図である。図３中に概念的に示したように、制御部７０は、ＣＰＵ等の演算処理部７１、ＲＡＭ等のメモリ７２およびハードディスクドライブ等の記憶部７３を有するコンピュータにより構成される。記憶部７３内には、膜・電極接合体の製造処理を実行するためのコンピュータプログラムＰが、インストールされている。
【００６５】
また、図３に示すように、制御部７０は、上述した吸着ローラ１０の回転駆動部１１、吸着ローラ１０の吸引機構、多孔質基材供給ローラ２１のモータ、多孔質基材回収ローラ２４のモータ、積層基材供給ローラ３１のモータ、剥離ローラ３３のエアシリンダ、バックシート回収ローラ３５のモータ、塗布部４１、乾燥炉４２、支持フィルム供給ローラ６１のモータ、ラミネートローラ６３のエアシリンダ、ラミネートローラ６３のヒータ６３１、押圧ローラ６４のエアシリンダおよび接合体回収ローラ６６のモータと、それぞれ通信可能に接続されている。
【００６６】
制御部７０は、記憶部７３に記憶されたコンピュータプログラムＰやデータをメモリ７２に一時的に読み出し、当該コンピュータプログラムＰに基づいて、演算処理部７１が演算処理を行うことにより、上記の各部を動作制御する。これにより、製造装置１における膜・電極接合体９００の製造処理が進行する。
【００６７】
＜２．支持フィルムについて＞
続いて、上述した製造装置１における、支持フィルム９３について、説明する。
【００６８】
上述した通り、電解質膜９０には、炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。炭化水素系の高分子電解質膜は、従来のフッ素系の高分子電解質膜と比べて、粘着性が小さい。このため、従来支持フィルムとして用いられるＰＥＴフィルムやＰＥＮフィルムをそのまま熱ラミネート処理したとしても、電解質膜９０と十分に貼り付かず、電解質膜９０を適切に支持することができない。
【００６９】
そこで、支持フィルム９３として、少なくとも一方側の表面が粘着力を有するフィルムを用いる。これにより、支持フィルム９３が、炭化水素系の高分子電解質膜である電解質膜９０に貼り付いて、適切に支持することができる。
【００７０】
なお、支持フィルム９３は、例えば、基材層と、基材層の表面を覆う粘着層とにより構成される。粘着層は、例えば、基材層の表面を覆う粘着材からなる。支持フィルム９３の基材層には、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系、ＰＥＴやＰＥＮ等のポリエステル系、ポリ塩化ビニル、ポリウレタンが用いられる。
【００７１】
ここで、支持フィルム９３の表面の粘着力を大きくするにつれて、電解質膜９０と支持フィルム９３とが粘着しやすくなる一方で、第２電極層９ｂの転写が生じやすくなる。このため、支持フィルム９３の表面の粘着力を適切な範囲とすることが望ましい。
【００７２】
そこで、図４〜図６に示すように、各条件を変化させて、膜・電極接合体９００と支持フィルム９３との粘着状況と、第２電極層９ｂの転写状況とについて、実験を行った。図４は、貼り付け時の押圧力が０．２Ｎ／ｍｍ２、ラミネートローラ６３の表面温度が摂氏３０度である場合における、支持フィルム９３の粘着力毎の粘着状況および転写状況を示した図である。なお、「貼り付け時の押圧力」とは、ラミネートローラ６３と吸着ローラ１０との間における押圧力、および、ラミネートローラ６３と押圧ローラ６４との間における押圧力のうち大きい方を示す。また、本願における[Ｎ／ｃｍ]は、ＪＩＳ  Ａ  ０２３７の規格に則って計測した値である。
【００７３】
なお、図４〜図６中、粘着状況の欄において、◎は粘着状態が優良である場合、×は粘着状態が不良である場合、を表す。また、転写状況の欄において、◎は電極層の転写が全くなく極めて優良である（転写箇所が目視で確認できない）場合、○は電極層の転写がごくわずかにある程度で良好である（転写箇所が目視でわずかに確認できる）場合、×は電極層の転写があり不良である場合、を表す。
【００７４】
図４に示すように、支持フィルム９３の表面の粘着力が、０．０２Ｎ／ｃｍ以上、かつ、０．０８Ｎ／ｃｍ以下の範囲では、粘着状況が優良であり、かつ、転写状況が優良である。このため、支持フィルム９３の表面の粘着力は、０．０２Ｎ／ｃｍ以上かつ０．０８Ｎ／ｃｍ以下であることが好ましい。すなわち、当該範囲において、支持フィルム９３が電解質膜９０に粘着して適切に支持できるとともに、第２電極層９ｂの転写が生じにくい。
【００７５】
また、貼付部５０における電解質膜９０と支持フィルム９３との押圧力を大きくするにつれて、電解質膜９０と支持フィルム９３とが粘着しやすくなる一方で、第２電極層９ｂの転写が生じやすくなる。このため、貼付部５０における押圧力を適切な範囲とすることが望ましい。
【００７６】
図５は、支持フィルム９３の表面の粘着力が０．０８Ｎ／ｃｍ、ラミネートローラ６３の表面温度が摂氏３０度である場合における、貼付部５０における貼り付け時の押圧力毎の粘着状況および転写状況を示した図である。
【００７７】
図５に示すように、貼付部５０における貼り付け時の押圧力が、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上、かつ、０．６Ｎ／ｍｍ２以下の範囲では、粘着状況が優良であり、かつ、転写状況が優良または良好である。このため、貼り付け時の押圧力は、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上、かつ、０．６Ｎ／ｍｍ２以下であることが好ましい。すなわち、当該範囲において、支持フィルム９３が電解質膜９０に粘着して適切に支持できるとともに、第２電極層９ｂの転写が生じにくい。また、貼付部５０における貼り付け時の押圧力が、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上、かつ、０．４Ｎ／ｍｍ２以下の範囲では、粘着状況が優良であり、かつ、転写状況が優良である。したがって、貼り付け時の押圧力は、０．１Ｎ／ｍｍ２以上、かつ、０．４Ｎ／ｍｍ２以下であることがより好ましい。
【００７８】
また、ラミネートローラ６３の表面温度を大きくするにつれて、電解質膜９０と支持フィルム９３とが粘着しやすくなる一方で、第２電極層９ｂの転写が生じやすくなる。このため、ラミネートローラ６３の表面温度を適切な範囲とすることが望ましい。
【００７９】
図６は、支持フィルム９３の粘着力が０．０８Ｎ／ｃｍ、貼り付け時の押圧力が０．２Ｎ／ｍｍ２である場合における、ラミネートローラ６３の表面温度毎の粘着状況および転写状況を示した図である。
【００８０】
図６に示すように、ラミネートローラ６３の表面温度が、摂氏２０度以上、かつ、摂氏５０度以下の範囲では、粘着状況が優良であり、かつ、転写状況が優良または良好である。このため、ラミネートローラ６３の表面温度は、摂氏２０度以上、かつ、摂氏５０度以下であることが好ましい。すなわち、当該範囲において、支持フィルム９３が電解質膜９０に粘着して適切に支持できるとともに、第２電極層９ｂの転写が生じにくい。また、ラミネートローラ６３の表面温度が、摂氏２０度以上、かつ、摂氏３０度以下の範囲では、粘着状況が優良であり、かつ、転写状況が優良である。したがって、ラミネートローラ６３の表面温度が、摂氏２０度以上、かつ、摂氏３０度以下であることがより好ましい。
【００８１】
＜３．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
【００８２】
上記の実施形態では、一方の面に予め第１電極層９ａが形成された電解質膜９０の他方の面に、第２電極層９ｂを形成する場合について説明した。しかしながら、本発明の製造装置は、表裏のいずれの面にも電極層が形成されていない電解質膜に対して、電極層を形成するものであってもよい。
【００８３】
また、上記の実施形態では、電解質膜供給ローラとしての積層基材供給ローラ３１から、電解質膜９０およびバックシート９２の２層で構成される積層基材９２０を供給する場合について説明した。しかしながら、本発明における電解質膜供給ローラは、バックシート９２が貼り付けられていない電解質膜９０を繰り出すものであってもよい。
【００８４】
また、上記の実施形態では、バックシート９２と支持フィルム９３とが別素材である場合について説明した。しかしながら、バックシート９２と支持フィルム９３とは同じものであってもよい。その場合、バックシート回収ローラ３５に巻き取られたバックシート９２を、支持フィルム９３として支持フィルム供給ローラ６１から繰り出すようにしてもよい。
【００８５】
また、製造装置の細部の構成については、本願の各図と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１  製造装置
９ａ，９ｂ  電極層
１０  吸着ローラ
２０  多孔質基材供給回収部
２１  多孔質基材供給ローラ
２４  多孔質基材回収ローラ
３０  電解質膜供給部
３１  積層基材供給ローラ
４０  電極層形成部
５０  貼付部
６３  ラミネートローラ
６４  押圧ローラ
９０  電解質膜
９１  多孔質基材
９３  支持フィルム
９００  膜・電極接合体
【図１】
2019164890.tif 000003
【図２】
2019164890.tif 000004
【図３】
2019164890.tif 000005
【図４】
2019164890.tif 000006
【図５】
2019164890.tif 000007
【図６】
2019164890.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月20日(2018.3.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本願の第１発明〜第８発明によれば、表面に粘着力を有するフィルムを炭化水素系の高分子電解質膜の支持フィルムとして用いる。炭化水素系の高分子電解質膜は、従来のフッ素系の高分子電解質膜と比べて、粘着性が小さい。このため、従来支持フィルムとして用いられるＰＥＴフィルムやＰＥＮフィルムをそのまま熱ラミネート処理したとしても、電解質膜と支持フィルムとが貼り付かず、電解質膜を適切に支持することができない。表面に粘着力を有するフィルムを支持フィルムとして用いることにより、支持フィルムが電解質膜に貼り付いて、適切に支持することができる。