(57)【要約】【課題】塗布部における吐出不良の発生を防止しつつ、製造効率を向上させることのできる膜電極接合体の製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】  電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する塗布部７０と、電解質膜を内部空間に収納し、内部空間を減圧することによって電解質膜の表面に塗布された触媒層形成用インクを乾燥可能な複数の減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂと、を有し、塗布部は、複数の減圧乾燥部の内部空間を互いに移動可能に構成され、一の減圧乾燥部において触媒層形成用インクを乾燥する間に、塗布部が、他の減圧乾燥部の内部空間において触媒層形成用インクを塗布する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造装置であって、
前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布する塗布部と、
前記電解質膜を内部空間に収納し、前記内部空間を減圧することによって前記電解質膜の表面に塗布された前記触媒層形成用インクを乾燥可能な複数の減圧乾燥部と、を有し、
前記塗布部は、前記複数の減圧乾燥部の内部空間を互いに移動可能に構成され、
一の前記減圧乾燥部において前記触媒層形成用インクを乾燥する間に、前記塗布部が、他の前記減圧乾燥部の内部空間において前記触媒層形成用インクを塗布する膜電極接合体の製造装置。
【請求項２】
前記減圧乾燥部は、
減圧チャンバと、
前記減圧チャンバ内に設けられ、載置される前記電解質膜を吸着自在な載置面を備える吸着ステージと、
前記減圧チャンバ内を吸引して減圧するとともに、前記載置面の反対側の面から前記載置面を吸引して、前記電解質膜を前記載置面に固定させる吸引部と、を有する請求項１に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項３】
一方の面に塗布された前記触媒層形成用インクが、前記一の減圧乾燥部において乾燥されて触媒層が形成された電解質膜を、反転して前記他の減圧乾燥部に搬送する搬送部をさらに有する請求項１または２に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項４】
前記塗布部が移動する前記一の減圧乾燥部及び前記他の減圧乾燥部の間に設けられ、前記塗布部のうち前記触媒層形成用インクが吐出する吐出部を洗浄する洗浄部をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項５】
電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布部によって塗布し、複数の減圧乾燥部によって前記触媒層形成用インクを減圧乾燥することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造方法であって、
一の前記減圧乾燥部の内部空間において前記塗布部によって、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布した後に、
前記塗布部を、一の前記減圧乾燥部から他の前記減圧乾燥部に移動させ、
一の前記減圧乾燥部において前記触媒層形成用インクを乾燥する間に、他の前記減圧乾燥部の内部空間において前記塗布部によって、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布する膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記塗布部によって、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布する際に、
前記減圧乾燥部の減圧チャンバ内に設けられる吸着ステージの載置面に前記電解質膜を載置し、
前記載置面に対して反対側の面から吸引して、前記載置面に載置される前記電解質膜を固定する請求項５に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記一の減圧乾燥部において一方の面に塗布された前記触媒層形成用インクが乾燥されて触媒層が形成された電解質膜を、反転して前記他の減圧乾燥部に搬送する請求項５または６に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記塗布部が、前記一の減圧乾燥部から前記他の減圧乾燥部に移動する際に、前記塗布部のうち前記触媒層形成用インクが吐出する吐出部を洗浄する請求項５〜７のいずれか1項に記載の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装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への負荷が少ないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜、電解質膜の両面に形成される触媒層、ガス拡散層等を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  以下、ＭＥＡと称する）を含む。また、膜電極接合体がセパレータを介して複数積層されることによって燃料電池が構成される。
【０００４】
膜電極接合体の製造に関して、例えば下記の特許文献１には、塗布部が電解質膜に触媒層形成用インクを塗布する工程、及び触媒層形成用インクを減圧乾燥部において減圧乾燥させて触媒層を形成する工程を備える膜電極接合体の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−３３７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の膜電極接合体の製造方法では、減圧乾燥部において触媒層形成用インクを減圧乾燥させる工程において、塗布部は触媒層形成用インクを塗布しておらず待機状態となっている。塗布部を大気中に長時間放置すると、触媒層形成用インクの分散媒成分が揮発することによって塗布部先端において詰まりが発生し、塗布ムラやインクカスなどの吐出不良が生じる虞がある。また、触媒層形成用インクを減圧乾燥させる工程において、塗布部は待機状態であるため、製造効率が悪いという課題もある。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、塗布部における吐出不良の発生を防止しつつ、製造効率を向上させることのできる膜電極接合体の製造装置及び製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る膜電極接合体の製造装置は、電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造装置である。膜電極接合体の製造装置は、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布する塗布部を有する。膜電極接合体の製造装置は、前記電解質膜を内部空間に収納し、前記内部空間を減圧することによって前記電解質膜の表面に塗布された前記触媒層形成用インクを乾燥可能な複数の減圧乾燥部を有する。前記塗布部は、前記複数の減圧乾燥部の内部空間を互いに移動可能に構成される。一の前記減圧乾燥部において前記触媒層形成用インクを乾燥する間に、前記塗布部が、他の前記減圧乾燥部の内部空間において前記触媒層形成用インクを塗布する。
【０００９】
また、上記目的を達成する本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布部によって塗布し、複数の減圧乾燥部によって前記触媒層形成用インクを減圧乾燥する。膜電極接合体の製造方法は、一の前記減圧乾燥部の内部空間において前記塗布部によって、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布した後に、前記塗布部を、一の前記減圧乾燥部から他の前記減圧乾燥部に移動させる。そして、一の前記減圧乾燥部において前記触媒層形成用インクを乾燥する間に、他の前記減圧乾燥部の内部空間において前記塗布部によって、前記電解質膜の表面に前記触媒層形成用インクを塗布する。
【発明の効果】
【００１０】
上述した膜電極接合体の製造装置及び製造方法によれば、一の減圧乾燥部において触媒層形成用インクを乾燥する間に、塗布部が、他の前記減圧乾燥部の内部空間において触媒層形成用インクを塗布する。このため、塗布部が待機状態となる時間を低減することができ、触媒層形成用インクの分散媒成分が揮発することによって塗布部先端において詰まりが発生することを防止することができる。よって、塗布部における吐出不良の発生を防止することができる。また、一の減圧乾燥部において触媒層形成用インクを乾燥する間に、他の減圧乾燥部において塗布部が触媒層形成用インクを塗布するため、製造効率を向上させることができる。したがって、塗布部における吐出不良の発生を防止しつつ、製造効率を向上させることのできる膜電極接合体の製造装置及び製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る膜電極接合体の製造装置を示す概略構成図である。
【図３】本実施形態に係る膜電極接合体の製造装置の減圧乾燥部及び塗布部を示す概略図である。
【図４】本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートであって、図４（Ａ）は、一の減圧乾燥部における各工程、図４（Ｂ）は、他の減圧乾燥部における各工程を示す。
【図５】膜電極接合体の製造方法の初期状態を示す概略図である。
【図６】膜電極接合体の製造方法の吸着工程の様子を示す概略図である。
【図７】膜電極接合体の製造方法の塗布工程の様子を示す概略図である。
【図８】膜電極接合体の製造方法の塗布工程終了時の様子を示す概略図である。
【図９】膜電極接合体の製造方法の乾燥工程の様子を示す概略図である。
【図１０】膜電極接合体の製造方法の乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。
【図１１】膜電極接合体の製造方法の吸着工程の様子を示す概略図である。
【図１２】膜電極接合体の製造方法の剥離工程の様子を示す概略図である。
【図１３】膜電極接合体の製造方法の塗布工程の様子を示す概略図である。
【図１４】膜電極接合体の製造方法の塗布工程終了時の様子を示す概略図である。
【図１５】膜電極接合体の製造方法の乾燥工程の様子を示す概略図である。
【図１６】膜電極接合体の製造方法の乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。
【図１７】塗布部の移動方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る燃料電池の単セル１０を示す断面図である。
【００１４】
単セル１０は、図１に示すように、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等に適用され、ＭＥＡ（膜電極接合体）２０、セパレータ３１、３２、及びガスケット４１，４２を有する。
【００１５】
ＭＥＡ２０は、電解質膜２１、触媒層２２、２３、ガス拡散層２４、２５を有する。
【００１６】
触媒層２２は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、電解質膜２１の一方の側に配置される。
【００１７】
触媒層２３は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、電解質膜２１の他方の側に配置される。
【００１８】
電解質膜２１は、触媒層２２で生成したプロトンを触媒層２３へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。
【００１９】
ガス拡散層２４は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ３１と触媒層２２との間に位置している。
【００２０】
ガス拡散層２５は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ３２と触媒層２３との間に位置している。
【００２１】
セパレータ３１、３２は、単セル１０を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。セパレータ３１、３２は、ＭＥＡ２０と略同一形状であり、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことによって形成される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。
【００２２】
セパレータ３１は、ＭＥＡ２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層２２に相対し、ＭＥＡ２０とセパレータ３１との間に位置するガス流路を構成する溝部３１ａを有する。溝部３１ａは、燃料ガスを触媒層２２に供給するために利用される。
【００２３】
セパレータ３２は、ＭＥＡ２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層２３に相対し、ＭＥＡ２０とセパレータ３２との間に位置するガス流路を構成する溝部３２ａを有する。溝部３２ａは、酸化剤ガスを触媒層２３に供給するために利用される。
【００２４】
ガスケット４１、４２は、枠形状を有し、電解質膜２１の外周部の両面に配置される。
【００２５】
ガスケット４１は、触媒層２２（およびガス拡散層２４）を包囲するように塗布されており、触媒層２２に供給される燃料ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
【００２６】
ガスケット４２は、触媒層２３（およびガス拡散層２５）を包囲するように塗布されており、触媒層２３に供給される酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
【００２７】
次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。
【００２８】
電解質膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。
【００２９】
電解質膜２１の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。
【００３０】
触媒層（カソード触媒層）２３に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）２２に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。
【００３１】
具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。
【００３２】
触媒層２２、２３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
【００３３】
触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、電解質膜２１に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜２１に対する触媒層２２、２３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。
【００３４】
本実施形態では触媒層２２，２３として、高沸点溶剤（プロピレングリコール（ＰＧ）、プロピレングリコール１−モノメチルエーテル２−アセテート（ＰＥＧＭＥＡ）、１−メトキシ−２−プロパノール（ＰＧＭＥ）など）を添加できる。これは後述するように、触媒層２２，２３を減圧することによって乾燥するためである。このように高沸点溶剤を添加することによって、触媒層２２，２３を形成する触媒層形成用インクの乾燥性を制御し易く、塗布中に発生する異物やスジムラ、乾燥中に発生するひび割れの発生を抑制できる。触媒層２２，２３は、同一の触媒層形成用インク２２Ａから形成することが可能である。
【００３５】
触媒層２２，２３の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）および酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、触媒層２２，２３の厚みは、１〜２０μｍが好ましい。
【００３６】
ガス拡散層２４、２５は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０〜５００μｍが好ましい。ガス拡散層２４、２５は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
【００３７】
セパレータ３１、３２は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、溝部３１ａ、３２ａは、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。
【００３８】
ガスケット４１、４２は、接着剤から形成される。接着剤には、例えば、熱可塑性の接着剤であるホットメルト剤を使用することができる。ガスケット４１、４２の厚さは、１０μｍ〜２ｍｍが好ましい。
【００３９】
次に、図２，３を参照して、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００について説明する。
【００４０】
図２は、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００を示す概略構成図である。図３は、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００の減圧乾燥部１４０Ａ及び塗布部７０を示す概略図である。
【００４１】
膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１に触媒成分を含有する触媒層形成用インク２２Ａを塗布することによって、電解質膜２１及び触媒層２２を有する膜電極接合体２０を製造する製造装置１００である。
【００４２】
膜電極接合体２０の製造装置１００は、概説すると、図２，３に示すように、電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する塗布部７０を有する。また、膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１を内部空間に収納し、内部空間を減圧することによって電解質膜２１の表面２１Ｓに塗布された触媒層形成用インク２２Ａを乾燥可能な２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂを有する。塗布部７０は、２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂの内部空間を互いに移動可能に構成される。一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、塗布部７０が、他の減圧乾燥部１４０Ｂの内部空間において触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。以下、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００の構成について詳述する。
【００４３】
膜電極接合体２０の製造装置１００は、図２に示すように、２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂと、塗布部７０と、駆動部１２０と、第１搬送部８０と、第２搬送部（搬送部に相当）１５０と、搬出部１８０と、洗浄部１７０と、制御部１３０と、を有する。２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂは、同様の構成であるため、以下、一の減圧乾燥部１４０Ａの構成について説明する。
【００４４】
減圧乾燥部１４０Ａは、図３に示すように、減圧チャンバ５０と、吸着ステージ６０と、吸引部９０と、を有する。
【００４５】
減圧チャンバ５０は、内部空間の圧力を減圧可能に構成される。減圧チャンバ５０の内部空間における圧力は、後述する吸引部９０の第１吸引部９１によって、例えば、５Ｐａ〜４０００Ｐａの範囲に設定され得る。
【００４６】
減圧チャンバ５０は、上側ケーシング５１と、下側ケーシング５６と、を有する。
【００４７】
上側ケーシング５１は、駆動部１２０によって、図３の上下方向に移動可能に構成される。上側ケーシング５１は、後述する第１吸引部９１の第１配管９８が気密に連結される開口部５２を有する。また、上側ケーシング５１には、減圧乾燥時の吸引ムラを低減するための整流プレート５４が設けられる。なお、図３において、整流プレート５４は、断面図によって示し、ハッチングは省略している。
【００４８】
下側ケーシング５６は、後述する第２吸引部９２の第２配管９５が気密に連結される開口部５７を有する。
【００４９】
上側ケーシング５１の端部５３及び下側ケーシング５６の端部５８が、互いに接触した状態で、減圧チャンバ５０の内部空間は減圧される。
【００５０】
吸着ステージ６０は、減圧チャンバ５０内に設けられ、載置される電解質膜２１を吸着自在な載置面６１を備える。吸着ステージ６０は、減圧チャンバ５０の下側ケーシング５６の上面に載置される。後述する吸引部９０の第２吸引部９２が、吸着ステージ６０の貫通孔（不図示）を吸引することによって、吸着ステージ６０の載置面６１が負圧となり、電解質膜２１が吸着ステージ６０の載置面６１に固定される。
【００５１】
吸着ステージ６０の載置面６１は、電解質膜２１の全面を吸着するように構成されることが好ましい。また、吸着ステージ６０の載置面６１には、撥水処理が施されることが好ましい。撥水処理は、例えば、フッ素系表面処理であるが、これに限定されない。このように吸着ステージ６０の載置面６１に撥水処理を施すことによって、吸着ステージ６０の載置面６１に触媒層形成用インク２２Ａが付着した場合、触媒層形成用インク２２Ａを弾くことができる。したがって、吸着ステージ６０の貫通孔の目詰まりを防止し、吸着ステージ６０の吸着性能を維持することができる。
【００５２】
吸引部９０は、吸着ステージ６０の載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に固定させた後に、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧する。
【００５３】
吸引部９０は、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧する第１吸引部９１と、載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に固定させる第２吸引部９２と、を有する。
【００５４】
電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａが塗布された状態で、第２吸引部９２が電解質膜２１を吸着ステージ６０の載置面６１に固定させ、第１吸引部９１が減圧チャンバ５０内を減圧することによって、触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させる。このとき、吸着ステージ６０の載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力は、減圧チャンバ５０内の圧力よりも小さく設定することが好ましい。このように設定することで、減圧乾燥する際に、電解質膜２１が吸着ステージ６０から剥離することを好適に防止することができる。
【００５５】
第１吸引部９１は、第１ポンプ９６と、第１ポンプ９６の吸引圧を調整する第１開閉弁９７と、第１ポンプ９６の吸引圧を減圧チャンバ５０内に連通させる第１配管９８と、を有する。
【００５６】
第１ポンプ９６は、メカニカルブースターポンプであって、例えば２５０Ｐａ，５０Ｐａ，４０Ｐａの３段階の圧力調整が可能である。このため、減圧チャンバ５０内の圧力を、大気圧から２５０Ｐａ、２５０Ｐａから５０Ｐａ、５０Ｐａから４０Ｐａと、段階的に下げることが可能である。なお、圧力調整が可能な段階数は、３回に限定されない。この構成によれば、触媒層形成用インク２２Ａの急激な乾燥を防止でき、触媒層２２にクラックが発生することを防止することができる。
【００５７】
第２吸引部９２は、第２ポンプ９３と、第２ポンプ９３の吸引圧を調整する第２開閉弁９４と、第２ポンプ９３の吸引圧を吸着ステージ６０の貫通孔に連通する第２配管９５と、加圧手段９９と、を有する。
【００５８】
第２ポンプ９３は、第１ポンプ９６と同様の構成であるため、説明は省略する。
【００５９】
第２開閉弁９４は三方弁であって、第２ポンプ９３及び加圧手段９９からの圧力を調整しつつ切り替え可能に構成される。
【００６０】
加圧手段９９は、吸着ステージ６０の載置面６１の反対側の面から載置面６１を加圧することによって、吸着ステージ６０の載置面６１に載置される電解質膜２１を剥離することができる。
【００６１】
塗布部７０は、吸引部９０によって吸着ステージ６０の載置面６１に固定される電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。塗布部７０は、駆動部１２０によって、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａを塗布するように移動される。また、塗布部７０は、駆動部１２０によって、一の減圧乾燥部１４０Ａ及び他の減圧乾燥部１４０Ｂの間を互いに移動される。
【００６２】
塗布部７０は、例えば、スリットダイ方式が適用され、ダイに形成したスリットから触媒層形成用インク２２Ａが押し出されて塗布される。塗布部７０の吐出の方式は、スリットダイ方式に限定されず、スプレー方式、インクジェット方式等が用いられ得る。
【００６３】
駆動部１２０は、図３において、上側ケーシング５１を上下方向に移動させ、塗布部７０を水平方向に移動させる。駆動部１２０は、ボールネジ等による昇降機構及びボールネジやリニアスライダーによる横行機構により構成される。なお、駆動部１２０の制御は、制御部１３０によって行われる。
【００６４】
第１搬送部８０は、図２に示すように、ローダーＬに載置される電解質膜２１を把持して、吸着ステージ６０の載置面６１に搬送する。
【００６５】
第２搬送部１５０は、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて一方の面に触媒層２２が形成された電解質膜２１を、反転して他の減圧乾燥部１４０Ｂに搬送する。
【００６６】
第２搬送部１５０は、移動部１５１と、反転ステージ１５２と、を有する。
【００６７】
移動部１５１は、吸着ステージ６０の載置面６１に載置される一方の面に触媒層２２が形成された電解質膜２１を把持して、反転ステージ１５２に搬送する。
【００６８】
反転ステージ１５２は、載置される電解質膜２１の上下を反転させる反転機構を有する。
【００６９】
さらに、移動部１５１は、上下を反転された電解質膜２１を、反転ステージ１５２から他の減圧乾燥部１４０Ｂの吸着ステージ６０の載置面６１に載置する。
【００７０】
搬出部１８０は、他の減圧乾燥部１４０Ｂの載置面６１に載置される電解質膜２１を把持して、アンローダーＵＬに搬出する。
【００７１】
第１搬送部８０、第２搬送部１５０の移動部１５１、及び搬出部１８０は、自動搬送ロボットや自動搬送アームである。なお、第１搬送部８０、第２搬送部１５０の移動部１５１、及び搬出部１８０の制御は、制御部１３０によって行われる。
【００７２】
洗浄部１７０は、塗布部７０が移動する一の減圧乾燥部１４０Ａ及び他の減圧乾燥部１４０Ｂの間に設けられ、塗布部７０のうち触媒層形成用インク２２Ａが吐出する吐出部７１を洗浄する。
【００７３】
洗浄部１７０は、例えば洗浄用シンナー及び空気を噴出可能な２流体スプレーである。なお、洗浄部１７０は、これに限られず、洗浄用シンナーのみを吐出可能な１流体スプレー、ブラシ洗浄、ワイプ拭きなどであってもよい。
【００７４】
制御部１３０は、例えばＣＰＵを含むコンピュータにより構成される。
【００７５】
次に、図４〜図１５を参照して、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造方法について説明する。
【００７６】
図４は、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。図４（Ａ）は、一の減圧乾燥部１４０Ａにおける各工程、図４（Ｂ）は、他の減圧乾燥部１４０Ｂにおける各工程をそれぞれ示す。図５は、膜電極接合体の製造方法の初期状態を示す概略図である。図６は、膜電極接合体の製造方法の吸着工程の様子を示す概略図である。図７は、膜電極接合体の製造方法の塗布工程の様子を示す概略図である。図８は、膜電極接合体の製造方法の塗布工程終了時の様子を示す概略図である。図９は、膜電極接合体の製造方法の乾燥工程の様子を示す概略図である。図１０は、膜電極接合体の製造方法の乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。図１１は、膜電極接合体の製造方法の吸着工程の様子を示す概略図である。図１２は、膜電極接合体の製造方法の剥離工程の様子を示す概略図である。図１３は、膜電極接合体の製造方法の塗布工程の様子を示す概略図である。図１４は、膜電極接合体の製造方法の塗布工程終了時の様子を示す概略図である。図１５は、膜電極接合体の製造方法の乾燥工程の様子を示す概略図である。図１６は、膜電極接合体の製造方法の乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。なお、図５〜１６において、理解の容易のため、吸引部９０、駆動部１２０、第１搬送部８０、第２搬送部１５０、搬出部１８０、洗浄部１７０、及び制御部１３０は省略して示す。
【００７７】
なお、図５〜図１０は、一の減圧乾燥部１４０Ａにおける各工程の様子を示す図であって、図１１〜図１６は、他の減圧乾燥部１４０Ｂにおける各工程の様子を示す図である。
【００７８】
まず、図５に示すように、一の減圧乾燥部１４０Ａの近傍に塗布部７０を配置する。
【００７９】
次に、図２，６に示すように、一方の面に保護シートＳが貼り付けられた電解質膜２１を、第１搬送部８０によって、ローダーＬから吸着ステージ６０の載置面６１に搬送し、載置面６１の所望の位置に載置する（載置工程Ｓ０１）。このとき、保護シートＳが載置面６１側となるように載置する。
【００８０】
次に、第２吸引部９２が、載置面６１に対して反対側の面から吸引して、載置面６１に載置される電解質膜２１を、保護シートＳを介して載置面６１に固定する（吸着工程Ｓ０２）。
【００８１】
次に、図７に示すように、塗布部７０が、載置面６１に固定される電解質膜２１の表面２１Ｓに、触媒層形成用インク２２Ａを塗布する（塗布工程Ｓ０３）。このとき、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａを塗布するように、駆動部１２０によって塗布部７０を移動させる。
【００８２】
そして、図８に示すように、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａが塗布される。塗布工程Ｓ０３において、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に固定されるため、電解質膜２１が膨潤することを好適に防止することができる。
【００８３】
次に、図９に示すように、上側ケーシング５１を下側ケーシング５６に近接させる。そして、電解質膜２１を載置面６１に固定させつつ、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧することによって、電解質膜２１上に塗布された触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する（乾燥工程Ｓ０４）。より具体的には、第２吸引部９２が吸引することによって、電解質膜２１を吸着ステージ６０の載置面６１に吸着して固定させる。一方、第１吸引部９１が吸引して、減圧チャンバ５０内を減圧する。
【００８４】
このとき、上述したように、載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力は、減圧チャンバ５０内の圧力よりも小さく設定することが好ましい。このように設定することで、電解質膜２１が吸着ステージ６０から剥離することを好適に防止することができる。また、上述したように、第１ポンプ９６は、２５０Ｐａ，５０Ｐａ，４０Ｐａの３段階の圧力調整が可能であるため、減圧チャンバ５０内の圧力を、大気圧から２５０Ｐａ、２５０Ｐａから５０Ｐａ、５０Ｐａから４０Ｐａと、段階的に下げることができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの急激な乾燥を防止でき、触媒層２２にクラックが発生することを防止することができる。乾燥工程Ｓ０４において、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着されるため、電解質膜２１が収縮することを好適に防止することができる。
【００８５】
以上の工程によって、図１０に示すように、電解質膜２１の保護シートＳが貼り付けられる面の反対側の面に触媒層２２が形成される。
【００８６】
次に、図２，１１に示すように、第２搬送部１５０によって、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて一方の面に触媒層２２が形成された電解質膜２１を、反転して他の減圧乾燥部１４０Ｂに搬送し、吸着ステージ６０の載置面６１に載置する（載置工程Ｓ０５）。このとき、触媒層２２が吸着ステージ６０の載置面６１側となるように載置する。また、加圧手段９９によって、載置面６１に載置される電解質膜２１を容易に剥離でき、電解質膜２１の搬送作業が容易となる。
【００８７】
次に、第２吸引部９２が、載置面６１を吸引して、載置面６１に載置される電解質膜２１を、触媒層２２を介して載置面６１に固定する（吸着工程Ｓ０６）。
【００８８】
次に、図１２に示すように、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する（剥離工程Ｓ０７）。具体的には、第２吸引部９２が吸引することによって、吸着ステージ６０の載置面６１に電解質膜２１及び触媒層２２を吸着し、搬出部１８０が保護シートＳを吸着しつつ、搬出部１８０を載置面６１に対して離間することによって剥離する。
【００８９】
次に、図１３に示すように、塗布部７０が、載置面６１に固定される電解質膜２１の触媒層２２が形成される面と反対側の面に、触媒層形成用インク２２Ａを塗布する（塗布工程Ｓ０８）。そして、図１４に示すように、電解質膜２１の触媒層２２が形成される面と反対側の面の所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａが塗布される。
【００９０】
次に、図１５に示すように、上側ケーシング５１を下側ケーシング５６に近接させる。そして、電解質膜２１を載置面６１に固定させつつ、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧することによって、電解質膜２１上に塗布された触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させる（乾燥工程Ｓ０９）。
【００９１】
以上の工程によって、図１６に示すように、電解質膜２１の両面に触媒層２２，２３が形成される。この後、必要に応じて、ガス拡散層２４，２５を触媒層２２，２３の電解質膜が設けられる面と反対側の面に形成して単セル１０が完成する。
【００９２】
次に、図１７を参照して、塗布部７０の移動方法について詳述する。
【００９３】
図１７は、塗布部７０の移動方法を説明するための図である。図１７において、上側に一の減圧乾燥部１４０Ａで行われる工程を、下側に他の減圧乾燥部１４０Ｂで行われる工程を示す。また、２点鎖線で示す枠内における各工程は、一の減圧乾燥部１４０Ａ及び他の減圧乾燥部１４０Ｂが同じタイミングで行われる工程を示す。
【００９４】
一の減圧乾燥部１４０Ａの内部空間において電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布した後に、塗布部７０を一の減圧乾燥部１４０Ａから他の減圧乾燥部１４０Ｂに移動させる。一の減圧乾燥部１４０Ａの内部空間において触媒層形成用インク２２Ａを塗布する間、他の減圧乾燥部１４０Ｂでは、触媒層形成用インク２２Ａの減圧乾燥が行われる。
【００９５】
そして、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、他の減圧乾燥部１４０Ｂの内部空間において塗布部７０によって、電解質膜２１の触媒層２２が形成される面の反対側の表面に触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。
【００９６】
さらに、塗布部７０が電解質膜２１の触媒層２２が形成される面の反対側の表面に触媒層形成用インク２２Ａを塗布した後に、塗布部７０を他の減圧乾燥部１４０Ｂから一の減圧乾燥部１４０Ａに移動させる。
【００９７】
そして、上述の工程を繰り返して、連続的に膜電極接合体２０を製造する。
【００９８】
また、塗布部７０が、一の減圧乾燥部１４０Ａ及び他の減圧乾燥部１４０Ｂの間を移動する際に、洗浄部１７０によって、塗布部７０の吐出部７１を洗浄する。これによって、吐出部７１における触媒層形成用インク２２Ａの乾燥を防止することができ、吐出不良をより好適に防止することができる。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１に触媒成分を含有する触媒層形成用インク２２Ａを塗布することによって、電解質膜２１及び触媒層２２，２３を有する膜電極接合体を製造する製造装置１００である。膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する塗布部７０を有する。膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１を内部空間に収納し、内部空間を減圧することによって電解質膜２１の表面２１Ｓに塗布された触媒層形成用インク２２Ａを乾燥可能な２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂを有する。塗布部７０は、２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂの内部空間を互いに移動可能に構成される。一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、塗布部７０が他の減圧乾燥部１４０Ｂの内部空間において触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。このため、塗布部７０が待機状態となる時間を低減することができ、触媒層形成用インク２２Ａの分散媒成分が揮発することによって塗布部７０先端において詰まりが発生することを防止することができる。よって、塗布部７０における吐出不良の発生を防止することができる。また、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、他の減圧乾燥部１４０Ｂにおいて塗布部７０が触媒層形成用インク２２Ａを塗布するため、製造効率を向上させることができる。したがって、塗布部７０における吐出不良の発生を防止しつつ、製造効率を向上させることができる。さらに、塗布部７０先端において詰まりが発生することを防止することができるため、塗布部７０の洗浄頻度を低減することができる。また、塗布部７０を１台にすることができ、設備費用の低減を実現し得る。
【０１００】
また、減圧乾燥部１４０Ａは、減圧チャンバ５０と、減圧チャンバ５０内に設けられ、載置される電解質膜２１を吸着自在な載置面６１を備える吸着ステージ６０と、を有する。減圧乾燥部１４０Ａは、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧するとともに、載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に固定させる吸引部９０を有する。この構成によれば、電解質膜２１を載置面６１に載置させて固定させつつ、触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させることができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの乾燥時に電解質膜２１にシワが発生することを防止することができる。
【０１０１】
また、一方の面に塗布された触媒層形成用インク２２Ａが、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて乾燥されて触媒層２２が形成された電解質膜２１を、反転して他の減圧乾燥部１４０に搬送する第２搬送部１５０をさらに有する。したがって、一連の製造工程によって電解質膜２１の両面に触媒層２２，２３を形成することができ、作業の効率性が向上する。
【０１０２】
また、塗布部７０が移動する一の減圧乾燥部１４０Ａ及び他の減圧乾燥部１４０Ｂの間に設けられ、塗布部７０のうち触媒層形成用インク２２Ａが吐出する吐出部７１を洗浄する洗浄部１７０をさらに有する。このため、吐出部７１における触媒層形成用インク２２Ａの乾燥を防止することができ、吐出不良をより好適に防止することができる。
【０１０３】
また、以上説明したように、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造方法は、電解質膜２１に触媒成分を含有する触媒層形成用インク２２Ａを塗布部７０によって塗布する。そして、２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂによって触媒層形成用インク２２Ａを減圧乾燥することによって、電解質膜２１及び触媒層２２，２３を有する膜電極接合体２０を製造する。一の減圧乾燥部１４０Ａの内部空間において塗布部７０によって、電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布した後に、塗布部７０を、一の減圧乾燥部１４０Ａから減圧乾燥部１４０Ｂに移動させる。そして、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、他の減圧乾燥部１４０Ｂの内部空間において塗布部７０によって、電解質膜２１の表面に触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。この製造方法によれば、塗布部７０が待機状態となる時間を低減することができ、触媒層形成用インク２２Ａの分散媒成分が揮発することによって塗布部７０先端において詰まりが発生することを防止することができる。よって、塗布部７０における吐出不良の発生を防止することができる。また、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する間に、他の減圧乾燥部１４０Ｂにおいて塗布部７０が触媒層形成用インク２２Ａを塗布するため、製造効率を向上させることができる。したがって、塗布部７０における吐出不良の発生を防止しつつ、製造効率を向上させることができる。
【０１０４】
また、塗布部７０によって、電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する際に、減圧乾燥部１４０Ａの減圧チャンバ５０内に設けられる吸着ステージ６０の載置面６１に電解質膜２１を載置する。そして、載置面６１に対して反対側の面から吸引して、載置面６１に載置される電解質膜２１を固定する。このため、電解質膜２１を載置面６１に載置させて固定させつつ、触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させることができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの乾燥時に電解質膜２１にシワが発生することを防止することができる。
【０１０５】
また、一の減圧乾燥部１４０Ａにおいて一方の面に塗布された触媒層形成用インク２２Ａが乾燥されて触媒層２２が形成された電解質膜２１を、反転して他の減圧乾燥部１４０Ｂに搬送する。したがって、一連の製造工程によって電解質膜２１の両面に触媒層２２，２３を形成することができ、作業の効率性が向上する。
【０１０６】
また、塗布部７０が、一の減圧乾燥部１４０Ａから他の減圧乾燥部１４０Ｂに移動する際に、塗布部７０のうち触媒層形成用インク２２Ａが吐出する吐出部７１を洗浄する。このため、吐出部７１における触媒層形成用インク２２Ａの乾燥を防止することができ、吐出不良をより好適に防止することができる。
【０１０７】
以下、上述した実施形態の改変例を例示する。
【０１０８】
上述した実施形態では、膜電極接合体２０の製造装置１００は、２つの減圧乾燥部１４０Ａ，１４０Ｂを有した。しかしながら、膜電極接合体２０の製造装置は、３つ以上の減圧乾燥部を有してもよい。
【０１０９】
上述した実施形態では、吸引部９０は第１吸引部９１及び第２吸引部９２を有した。しかしながら、吸引部は１つから構成されてもよく、このとき、調整バルブによって減圧チャンバ５０内を吸引する圧力と、吸着ステージ６０の載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力と、がそれぞれ調整される。
【符号の説明】
【０１１０】
２０    膜電極接合体、
２１    電解質膜、
２１Ｓ    電解質膜の表面、
２２，２３    触媒層
２２Ａ    触媒層形成用インク、
５０    減圧チャンバ、
６０    吸着ステージ、
６１    載置面、
７０    塗布部、
９０    吸引部、
１００    膜電極接合体の製造装置、
１４０Ａ，１４０Ｂ    減圧乾燥部、
１５０    第２搬送部（搬送部）、
１７０    洗浄部。
【図１】
2015222643.tif 000003
【図２】
2015222643.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015222643.tif 000006
【図５】
2015222643.tif 000007
【図６】
2015222643.tif 000008
【図７】
2015222643.tif 000009
【図８】
2015222643.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2015222643.tif 000012
【図１１】
2015222643.tif 000013
【図１２】
2015222643.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2015222643.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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