(57)【要約】【課題】皴の発生を抑えつつ、生産性をさらに向上させた膜電極接合体の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】本発明は、長尺の電解質膜１１の第１面に電解質膜を展張した状態に保持する支持フィルム４０を貼着した状態で第１面と逆側の第２面にアノード又はカソードのいずれか一方の触媒層１３を形成する第１形成工程と、電解質膜の第１面から保持部材を剥離させ、第２面に燃料電池の電気化学反応に必要な燃料又は酸化剤を構成する流体を拡散させる拡散層１４を構成する拡散部材を貼着させる第１貼着工程と、第１面に他方の触媒層１６を形成する第２形成工程と、第１面に拡散部材を貼着させる第２貼着工程と、を有し、第１形成工程、第１貼着工程、第２形成工程、及び第２貼着工程をロール・ツー・ロールによって行う。【選択図】図２
2015035256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺の電解質膜の第１面に前記電解質膜を展張した状態に保持する保持部材を貼着した状態で第１面と逆側の第２面にアノードまたはカソードのいずれか一方の触媒層を形成する第１形成工程と、
前記電解質膜の前記第１面から前記保持部材を剥離させ、前記第２面に燃料電池の電気化学反応に必要な燃料又は酸化剤を構成する流体を拡散させる拡散層を構成する拡散部材を貼着させる第１貼着工程と、
前記第１面に前記一方の触媒層と異なる他方の触媒層を形成する第２形成工程と、
前記第１面に前記拡散部材を貼着させる第２貼着工程と、を有し、
前記第１形成工程、前記第１貼着工程、前記第２形成工程、及び前記第２貼着工程をロール・ツー・ロールによって行う膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第１貼着工程では、前記保持部材を剥離させる際にローラーによって前記電解質膜と前記拡散部材とを加熱および加圧して貼着させることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記第２貼着工程後に前記拡散層、アノード及びカソードの前記触媒層が形成された前記電解質膜を枚葉状に切断する切断工程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方法。
【請求項４】
前記第１形成工程及び／又は前記第２形成工程では、前記触媒層を形成した前記電解質膜を加湿して乾燥させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記第１形成工程及び／又は前記第２形成工程では、前記電解質膜の前記第１面及び前記第２面の各面に表面が加温された加熱ローラーを押しあてて前記電解質膜を展張した状態にする請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記第１形成工程及び／又は前記第２形成工程では、前記加熱ローラーを２以上設置し、２以上の前記加熱ローラーの表面温度を長尺の前記電解質膜の上流から下流にかけて温度を一旦上昇させ、下降させるように設定することによって前記電解質膜を乾燥させる請求項５に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項７】
長尺の電解質膜を一方向へ送る供給ローラーと、
前記供給ローラーから前記電解質膜を巻き取る巻き取りローラーと、
前記電解質膜にアノード又はカソードの触媒層を構成する触媒物質を塗布する塗布部と、
燃料電池の電気化学反応に必要な燃料又は酸化剤を構成する流体を拡散させる拡散層を構成する拡散部材を一方向へ送る拡散部材供給ローラ―と、
前記電解質膜の第１面に貼着された、前記電解質膜を展張した状態に保持する保持部材を前記電解質膜から剥離させる剥離ローラーと、
前記電解質膜の第１面及び前記第１面と逆側の第２面に前記拡散部材を貼着させる貼着部と、を有し、
前記貼着部は、前記保持部材を前記第１面から剥離する際に前記第２面に前記拡散部材を圧着させることを特徴とする膜電極接合体の製造装置。
【請求項８】
前記貼着部は、前記保持部材を剥離させる際にローラーによって前記電解質膜と前記拡散部材とを加熱及び加圧して貼着させることを特徴とする請求項７に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項９】
前記拡散層、アノード及びカソードの前記触媒層が形成された前記電解質膜を枚葉状に切断する切断部をさらに有する請求項７または８に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記電解質膜を加湿する加湿部と、
加湿された前記電解質膜を乾燥させる乾燥部と、をさらに有する請求項７〜９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１１】
前記乾燥部は、表面が加温された加熱ローラーを前記供給ローラーから前記巻き取りローラーまでの間において２以上設置し、前記電解質膜の前記第１面及び前記第２面の各面に前記加熱ローラーを押し当てて前記電解質膜を展張した状態にする請求項１０に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項１２】
前記乾燥部は、表面が加温された加熱ローラーを前記供給ローラーから前記巻き取りローラーまでの間において２以上設置し、２以上の前記加熱ローラーの表面の温度が前記巻出しローラーから前記巻き取りローラーにかけて一端上昇し、下降するように設定されている請求項１１に記載の膜電極接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池等に用いられる膜電極接合体の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、主に膜電極接合体の両側にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層させて構成される。燃料電池の構成の中でも膜電極接合体は、例えば電解質膜の一面にアノードを、他面にカソードを設けて構成される。膜電極接合体は電解質膜にアノードやカソードを貼着させるために熱をかけながら圧力をかけることがよく行われるが、薄膜からなる部品であるために皴が発生し易い。電解質膜の皴を抑制する方法には、例えば電解質膜を補強する帯状の第１の部材と、第１の部材を被覆する第２の部材と、第２の部材を支持するための第３の部材をこの順序で後に剥離可能となるように積層・接着して積層体を作製し、その後第２の部材及び第３の部材を剥離させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−６２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膜電極接合体を有する燃料電池は、皴の発生を抑制しつつ、量産に向けたさらなる生産性の向上が求められている。
【０００５】
そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、皴の発生を抑えつつ、生産性をさらに向上させた膜電極接合体の製造方法及び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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明は、膜電極接合体の製造方法である。上記製造方法は、長尺の電解質膜の第１面に電解質膜を展張した状態に保持する保持部材を貼着した状態で第１面と逆側の第２面にアノードまたはカソードのいずれか一方の触媒層を形成する第１形成工程と、第１形成工程後に電解質膜の第１面から保持部材を剥離させ、第２面に燃料電池の電気化学反応に必要な燃料又は酸化剤を構成する流体を拡散させる拡散層を構成する拡散部材を貼着させる第１貼着工程と、第１貼着工程後に第１面に一方の触媒層と異なる他方の触媒層を形成する第２形成工程と、第２形成工程後に第１面に拡散部材を貼着させる第２貼着工程と、を有する。第１形成工程、第１貼着工程、第２形成工程、及び第２貼着工程はロール・ツー・ロールプロセスによって行われることを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成する他の本発明は、膜電極接合体の製造装置である。上記製造装置は、長尺の電解質膜を一方向へ送る供給ローラーと、供給ローラーからの電解質膜を巻き取る巻き取りローラーと、電解質膜にアノード又はカソードの触媒層を構成する触媒物質を塗布する塗布部と、燃料電池の電気化学反応に必要な燃料又は酸化剤を構成する流体を拡散させる拡散層を構成する拡散部材を一方向へ送る拡散部材供給ローラ―と、電解質膜の第１面に貼着された、電解質膜を展張した状態に保持する保持部材を電解質膜から剥離させる剥離ローラーと、電解質膜の第１面及び第１面と逆側の第２面に拡散部材を貼着させる貼着部と、を有する。貼着部は、剥離ローラーによって第１面から保持部材を剥離させる際に第２面に拡散部材を圧着させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る膜電極接合体の製造方法によれば、量産に好適なロール・ツー・ロールプロセスを使用して第１形成工程において第２面に一方の触媒層を形成後に第１貼着工程において第１面の保持部材を剥離する際に、電解質膜の第２面に保持部材ではなく拡散層を構成する拡散部材を貼着させる。そして、第２形成工程において第１面に他方の触媒層を形成し、第１貼着工程において第１面に拡散部材を貼着させている。拡散部材は保持部材と同様に高い剛性を有するため、これを保持部材の代わりに使用すれば、膜電極接合体の製造において電解質膜の片面から保持部材を剥離させる工程を省略させることができる。よって、皴の発生を抑制しつつも従来に比べて片側の保持部材を剥離させる工程及び片側分の保持部材を省略できる分、生産性をさらに向上させることができる。
【０００９】
また、本発明に係る膜電極接合体の製造装置によれば、供給ローラーから巻取りローラーへ送られる電解質膜の第１面に保持部材が貼着した状態で塗布部によって第２面に触媒物質を塗布し、剥離ローラーによって電解質膜の第１面から保持部材を剥離する際に貼着部によって第２面に拡散部材供給ローラーからの拡散部材を圧着させている。そのため、上記と同様に拡散部材によって電解質膜に皴が発生することを抑制しつつも第２面に保持部材を貼着させる工程及び片側分の保持部材を省略して、従来よりもさらに膜電極接合体の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の概要を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法に係る第１形成工程を示す模式図である。
【図３】同製造方法に係る第１貼着工程を示す模式図である。
【図４】同製造方法に係る第２形成工程を示す模式図である。
【図５】同製造方法に係る第２貼着工程を示す模式図である。
【図６】燃料電池を構成する燃料電池セルの断面図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る第１貼着工程について示す説明図である。
【図８】本発明の変形例に係る膜電極接合体の製造方法に係る第１形成工程及び第１貼着工程を示す模式図である。
【図９】本発明の変形例に係る膜電極接合体の製造方法に係る第１形成工程及び第１貼着工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、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場合がある。
【００１２】
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の概要を示す説明図、図２は本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法に係る第１形成工程を示す模式図である。図３は同製造方法にかかる第１貼着工程を示す模式図、図４は同製造方法に係る第２形成工程を示す模式図、図５は同製造方法に係る第２貼着工程を示す模式図、図６は燃料電池を構成する燃料電池セルの断面図である。
【００１３】
本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法は、図１から図６を参照して概説すれば、触媒層１３を形成する第１形成工程（図１（Ａ）参照）と、触媒層１３の側面に拡散層１４を構成する拡散部材を貼着させる第１貼着工程（図１（Ｂ）参照）と、触媒層１３と逆側に触媒層１６を形成する第２形成工程（図１（Ｃ）参照）と、触媒層１６の側面に拡散層１７を構成する拡散部材を形成する第２貼着工程（図１（Ｄ）参照）と、触媒層１３，１６及びガス拡散層１４，１７が形成された長尺の電解質膜１１を枚葉状に切断する切断工程（図１（Ｅ）参照）と、を有する。
【００１４】
膜電極接合体１１の製造装置は、図２から図６を参照して概説すれば、第１形成部２１０と、第１貼着部２３０と、第２形成部２４０と、第２貼着部２６０と、を有する。以下に膜電極接合体１００の製造方法及び製造装置について詳述する。
【００１５】
第１形成工程は、第１形成部２１０によって行われる。第１形成部２１０は、図２に示すように供給ローラー２１１と、巻取りローラー２１２と、加湿機２１３と、触媒塗布機２１４と、乾燥部２１６と、第１張力印加ローラー対２１７，２１８と、加湿機２１９と、加熱ローラー２２１〜２２４と、第２張力印加ローラー２２５、２２６と、を有する。
【００１６】
第１貼着工程は、第１貼着部２３０によって行われる。第１貼着部２３０は、図３に示すように供給ローラー２３１と、巻取りローラー２３２と、拡散部材供給ローラー２３３と、加熱加圧ローラー２３４と、回転ローラー２３５と、剥離ローラー２３６と、を有する。
【００１７】
第２形成工程は、第２形成部２４０によって行われる。第２形成部２４０は、図４に示すように供給ローラー２４１と、巻取りローラー２４２と、加湿機２４３、２４９と、触媒塗布機２４４と、乾燥部２４６と、第１張力印加ローラー対２４７、２４８と、加熱ローラー２５１〜２５４と、第２張力印加ローラー対２５５、２５６と、を有する。
【００１８】
第２貼着工程は、第２貼着部２６０によって行われる。第２貼着部２６０は、図５に示すように供給ローラー２６１と、拡散部材供給ローラー２６２と、加熱加圧ローラー２６４と、回転ローラー２６５と、を有する。切断工程は、カッター２６６と、載置台２６７によって行われる。以下に各構成について説明する。
【００１９】
供給ローラー２１１には、片面に皴が発生しないようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などからなる支持フィルム４０（保持部材に相当）が貼着された電解質膜１１が巻き付けられている。供給ローラー２１１から送り出された電解質膜１１は、中間支持ローラー２１５の側面に一部が接触して乾燥部２１６の内部空間を通り、第１張力ローラー対２１７、２１８の間を通って加熱ローラー２２１〜２２４の側面と一部接触し、第２張力ローラー対２２５、２２６の間を通って巻取りローラー２１２に巻き付けられて長手方向に張力を維持している。
【００２０】
図２において供給ローラー２１１は、中間支持ローラー２１５を起点に長尺の電解質膜１１の伸びる方向を斜め左上方向から右方向に変えるように配置されているが、電解質膜１１に皴が発生せず、張力が維持できれば供給ローラー２１１の配置は図２に限定されない。
【００２１】
加湿機２１３は、乾燥部２１６よりも上流に配置され、触媒塗布機２１４は、乾燥部２１６よりも上流であって加湿機２１３よりも下流に設置されている。加湿機２１３は、スプレー方式で電解質膜１１において支持フィルム４０が貼着されていない側の面に水を噴射し、電解質膜に触媒インクが付着し易くなるように加湿を行う。触媒塗布機２１４は、上記の触媒インクをスプレー方式で電解質膜１１において支持フィルム４０が貼着されていない側に噴射する。
【００２２】
乾燥部２１６は、対流伝熱方式などによって電解質膜１１の表面を乾燥させる。乾燥部２１６の乾燥方式は、電解質膜１１の皴の生成を助長するものでなければ他の乾燥方式を採用することができる。第１張力印加ローラー対２１７、２１８は、移動ローラー２１７と、回転ローラー２１８からなる。回転ローラー２１８は、第１触媒塗布部２１０の装置に回転可能に設置されているのに対し、移動ローラー２１７は、回転ローラー２１８に対して接近離間することができ、これによって長尺の電解質膜１１の張力が管理できる。第１張力印加ロール対２１７、２１８は、移動ローラー２１７と回転ローラー２１８の間の中心間の距離を決定後、回転ローラー２１８がモーター等によって回転することに伴って移動ローラー２１７が従動して回転し、電解質膜１１が下流側へと送られる。
【００２３】
加湿機２１９は、乾燥部２１６よりも下流に設けられ、電解質膜１１の乾燥の際に残った皴をなくすために電解質膜１１を湿らせる。加熱ローラー２２１〜２２４は加湿機２１９よりも下流側に設置される。加熱ローラー２２１〜２２４は、加湿された電解質膜１１を巻き付けて張力をかけながら加温することによって、電解質膜１１を乾燥させ、残存する皴を取り除く。加熱ローラー２２１〜２２４は、ローラーの内部に熱コイルが内蔵され、熱コイルの発熱によってローラーの表面温度を昇温させる。
【００２４】
加熱ローラー２２１は、電解質膜１１において支持フィルム４０が貼着された側と接触するように設置される。加熱ローラー２２２は、電解質膜１１の支持フィルム４０が貼着されていない側と接触して電解質膜１１に張力が付与されるように設置される。加熱ローラー２２３は、支持フィルム４０の貼着されていない側と接触して電解質膜１１に張力が付与されるように設置される。加熱ローラー２２４は、支持フィルム４０が貼着される側と接触して電解質膜１１に張力が付与されるように設置される。このように加熱ローラー２２１〜２２４によって電解質膜１１の両面が均等に加温及び加圧され、電解質膜１１の皴を十分に取り除くことができる。
【００２５】
また、加熱ローラー２２１〜２２４は、ローラー表面の温度を一旦上昇させて下降させるように温度が設定されている。例えば、加熱ローラー２２２は加熱ローラー２２１よりも２０度程度温度が高く、加熱ローラー２２３は加熱ローラー２２２よりも２０度程度温度が高く、加熱ローラー２２４は加熱ローラー２２３よりも温度が４０度低く設定されているような場合である。このように加熱ローラー２２１〜２２４の表面温度を設定する事によって、電解質膜１１が加温されてから常温まで冷却される際に収縮によって発生しうる皴を製造工程において取り除くことができ、品質の高い電解質膜を得ることができる。
【００２６】
第２張力印加ローラー対２２５，２２６は、加熱ローラー２２１〜２２４よりも下流であって巻き取りロール２１２よりも上流に設けられる。第２張力印加ローラー対２２５，２２６は、第１張力印加ローラー対２１７，２１８と同様に移動ローラー２２５と回転ローラー２２６とからなる。第２張力印加ローラー対２２５，２２６は、回転ローラー２２６に対して移動ローラー２２５が移動することによって張力が調整・管理され、回転ローラー２２６の回転に伴って移動ローラー２２５が回転し、電解質膜１１が巻取りロール２１２にたるむことなく巻き取られる。
【００２７】
第１貼着部２３０において、供給ローラー２３１は、片面に支持フィルム４０及びもう一方の片面に触媒層１３が形成された長尺の電解質膜１１（中間加工物５０）を巻き付けている。供給ローラー２３１は、加熱加圧ローラー２３４と回転ローラー２３５の間を通過した電解質膜１１を巻取りローラー２３２に巻き取らせて一定程度の張力を保持するようにしている。
【００２８】
拡散部材供給ローラー２３３は、電解質膜１１の長手方向において供給ローラー２３１とほぼ同じ位置に設置され、電解質膜１１の面の中でも触媒層１３が形成された面にガス拡散層を構成する拡散部材を供給するように設置されている。電解質膜１１は、供給ローラー２３１から巻取りローラー２３２に向かって屈曲点を持つことなく略直線状に延びているのに対し、拡散部材供給ローラー２３３は、供給ローラー２３１との配置の関係上、加熱加圧ローラー２３４の中心と回転ローラー２３５の中心を結んだ線に対して垂直に入り込むことができないため、中間支持ローラー２３７によって拡散部材が加熱加圧ローラー２３４の中心と回転ローラー２３５の中心を結んだ線に対して略直交して進入できるように方向を矯正している。なお、供給ローラー２３１と拡散部材供給ローラー２３３の配置は逆転させることができる。
【００２９】
剥離ローラー２３６は、電解質膜１１の片面に貼着した支持フィルム４０を剥離させ、ローラー上に巻き取る。剥離ローラー２３６による巻取りにおいても中間支持ローラー２３８が設けられ、電解質膜１１から支持フィルム４０を剥離する際に電解質膜１１に皴が発生したりしないように中間支持ローラー２３８によって押し付け力が調整できるようになっている。
【００３０】
第２形成部２４０は、第１形成部２１０と同様の構成であり、供給ローラー２４１に触媒層１３及びガス拡散層１４が形成された電解質膜１１（中間加工物６０）が巻き付けられている点のみが第１触媒塗布部２１０と異なるため、構成に関する説明を省略する。
【００３１】
第２貼着部２６０において、供給ローラー２６１は、触媒物質からなる触媒層１３，１６が両面に形成され、片面に拡散部材からなる拡散層１４が貼着された電解質膜１１（中間加工物７０）を巻き付けている。供給ローラー２６１は、中間支持ローラー２６３によって電解質膜１１を加熱加圧ローラー２６４と回転ローラー２６５との間に送る。第２拡散部材供給ローラー２６２は、第１拡散部材供給ローラー２３３と同様に供給ローラー２６１に隣接して設置されており、中間支持ローラー２６３によって拡散部材を加熱加圧ローラー２６４と回転ローラー２６５との間に送る。供給ローラー２６１及び第２拡散部材供給ローラー２６２は、後述するカッター２６６による切断の際に電解質膜１１及び拡散部材の送りを停止できるように制御されている。
【００３２】
加熱加圧ローラー２６４と回転ローラー２６５は、加熱加圧ローラー２３４と回転ローラー２３５と同様の構成であり、加熱加圧ローラー２６４に熱コイルが内蔵され、回転ローラー２６５に接近離間可能であることによって、電解質膜１１及び拡散部材を挟持する際の圧力を調整している。回転ローラー２６５は、モーターなどによって回転可能に構成されており、回転ローラー２６５の回転に加熱加圧ローラー２６４が従動して電解質膜１１が下流へと送られる。
【００３３】
送り台２６７は、摩擦係数の少ない平滑面で構成され、触媒インク及び拡散部材が両面に貼着された電解質膜１１が下流へと搬送できるように設置されている。カッター２６６は、供給ローラー２６１及び拡散部材供給ローラー２６２から送り台２６７に搬送された電解質膜１１を燃料電池に実装できる所定長さで切断する。
【００３４】
次に本実施形態に係る製造方法及び製造装置によって製造される膜電極接合体について説明する。本実施形態に係る製造方法及び製造装置によって製造される膜電極接合体１０は、燃料電池の構成要素である。燃料電池は、図６に示すように、電解質膜１１の一面にアノード電極１２、他面にカソード電極１５を接合した膜電極接合体１０を一対のセパレータ２１、２２によって挟持した燃料電池セル１００を複数積層した積層体を主な構成要素としている。アノード電極１２は、電解質膜１１の側から触媒層１３とガス拡散層１４を有し、カソード電極１５は同様に電解質膜１１の側から触媒層１６とガス拡散層１７と、を有している。なお、図６において膜電極接合体１１には、膜電極接合体１１の外周にフレーム部材３０が取り付けられる。
【００３５】
電解質膜１１は、例えばパーフルオロスルホン酸系の電解質膜又は炭化水素系の電解質膜等から構成される。触媒層１３，１６は、電解質膜１１に触媒インクを塗布して乾燥させることによって得られる。
【００３６】
触媒インクは、分散媒中に触媒とプロトン伝導物質とを分散させた液体である。アノードに使用する触媒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制限はなく、また、カソードに使用する触媒も酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒を使用できる。具体的には、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、及びそれらの合金などから選択される。プロトン伝導物質は、固体高分子膜の構成材料であり、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエーテルとの共重合体からなる高分子、パーフルオロビニルエーテル類及び側鎖分子長の異なる高分子や、スチレンとビニルベンゼンとの共重合体からなる高分子等を使用することができる。分散媒は、アルコール類等を使用することができる。
【００３７】
ガス拡散層１４，１７を構成する拡散部材は、後述するように支持フィルムに代わる剛性を有するものとして、金網やパンチングメタル、エッチングで作った多孔体、カーボンペーパーなどから構成することができる。ガス拡散層１４，１７は、支持フィルムと同様に膜電極接合体１０を形成する際にしわが発生しないようにする機能をもっている。そのため、ガス拡散層１４，１７にはロール・ツー・ロールプロセスにおいて電解質膜１１に張力を与えた状態を維持するだけの剛性を必要とする。また、電解質膜１１との密着性を良好にするために表面粗さが所定の粗さであることを必要とする。具体的にはガス拡散層１４，１７の剛性を引張強さ＝0.05N/mm以上（より好ましくは0.1N/mm以上）とし、表面粗さをRa＝1〜50μm（より好ましくは5〜30μm）に設定している。また、ガス拡散層１４，１７は、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を含む溶液中に上記材料からなるガス拡散層を含浸させて大気中または窒素などの不活性ガス中で乾燥させるといった撥水処理を施すことで性能を一層向上させることができる。
【００３８】
次に本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法について説明する。電解質膜１１は、触媒インクを塗布する側と反対側にのみ支持フィルム４０が貼着した状態で供給ロール２１１に巻かれている。第１形成工程では、まず準備段階として、供給ローラー２１１を回転させて支持フィルム４０の貼着した電解質膜１１を取り出し、乾燥部２１６、第１張力印加ローラー対２１７、２１８、加熱ローラー２２１〜２２４、及び第２張力印加ローラー対２２５、２２６を通過させて巻取りローラー２１２に巻きつける。
【００３９】
電解質膜１１の下流側の端部を巻取りローラー２１２に貼着させた状態において触媒塗布機２１４の位置から巻取りローラー２１２の位置までに触媒インクを塗布し、触媒層を形成することはできない。そのため、上記部分はカッター２６６による切断の際に製品として使用しないように仕分けする。
【００４０】
この状態から、供給ローラー２１１と巻き取りローラー２１２を回転させて、長手方向において電解質膜１１にしわが発生しないように両方のローラーの送り速度を調節する。第１形成工程において加湿機２１３は、支持フィルム４０のついていない面に水を噴射して電解質膜１１を加湿する。そして、触媒塗布機２１４によって上記触媒インクを加湿した側の電解質膜１１の面に噴射して塗布する。
【００４１】
次に乾燥部２１６によって電解質膜１１を乾燥させて、電解質膜１１に塗布された水や触媒インクの水分を蒸発させて触媒層１３を形成する。電解質膜１１は、乾燥部２１６を通過した後に第１張力印加ローラー対２１７、２１８を通過することによって、乾燥の際に電解質膜の面が波打つような形状となった場合でも平面に矯正される。加湿機２１３、触媒塗布機２１４、乾燥部２１６、第１張力印加ローラー２１７，２１８によって触媒インクが触媒層として電解質膜になじむようになる。
【００４２】
本実施形態では、第１形成工程において触媒層１３が形成されると、加湿機２１９によって電解質膜１１を加湿する。そして、加熱ローラー２２１〜２２４に電解質膜１１を押し当てながら下流へと搬送し、電解質膜１１のシワを取り除き、最後に第２張力印加ローラー対２２５、２２６によって十分にシワを取り除く。つまり、加湿機２１９、加熱ローラー２２１〜２２４、及び第２張力印加ローラー２２５、２２６によって触媒層が形成された電解質膜のシワ取りが行われる。
【００４３】
加熱ローラー２２１〜２２４を電解質膜１１が通過する際には、電解質膜１１において支持フィルム４０の貼着している側及び貼着していない側の両方に加熱ローラー２２１〜２２４が押し当てられて、加熱及び押圧がバランスよくなされる。そのため、電解質膜１１に加熱ローラー２２１〜２２４を押し当てた際にシワがローラーと接触していない逆側に張り出して除去されないことを抑制することができる。
【００４４】
第１形成工程後に電解質膜１１は、片面に支持フィルム４０が貼着し、他面に触媒層１３が形成された長尺状の中間加工物５０となって次工程である第１貼着工程の巻き出しローラー２３１にセットされる。第１貼着工程において長尺の中間加工物５０は、一方の面に貼着した支持フィルム４０を剥離して剥離ローラー２３６に端部を貼着し、電解質膜１１については拡散部材供給ローラー２３３からの拡散部材と共に加熱加圧ローラー２３４及び回転ローラー２３５を通過させて巻取りローラー２３２に端部を貼着させる。
【００４５】
そして、加熱加圧ローラー２３４に内蔵された熱コイルを発熱させて所望の温度まで昇温させたら、加熱加圧ローラー２３４及び受圧ローラー２３５の中心間の距離を設定し、長手方向に電解質膜１１及び拡散部材を巻取りローラー２３２に向けてたるまないように速度を調整しながら送る。これによって中間加工物５０から支持フィルム４０が剥離され、加熱加圧ローラー２３４及び回転ローラー２３５にて拡散部材が触媒層１３の形成された電解質膜１１に貼着されてガス拡散層１４が形成される。
【００４６】
図７（Ａ）、７（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る第１貼着工程について示す説明図である。拡散層１４を構成する拡散部材は、加熱加圧ローラー２３４と回転ローラー２３５による加熱及び加圧によって図７（Ａ）の状態から図７（Ｂ）の状態のように触媒層１３の一部にめりこむ。上記のように拡散部材は、剛性が高く、電解質膜との密着度が高いように構成されているため、電解質膜１１や触媒層１３を拡散部材に追従させて、しわが入りにくい状態にすることができる。また、ローラーによる加熱及び加圧は生産現場において多用されているため、特別の設備を用意することなく電解質膜に拡散部材を貼着させることができる。なお、便宜上、第１貼着工程によって形成された加工物を中間加工物６０と称する。
【００４７】
第２形成工程において中間加工物６０は、供給ローラー２４１にセットされる。中間加工物６０は、供給ローラー２４１から送り出され、拡散部材の貼着していない面が加湿機２４３，２４９及び触媒塗布機２４４と向かい合うようにセットされる。中間加工物６０は、中間支持ローラー２４５、乾燥部２４６、第１張力印加ローラー対２４７、２４８、加熱ローラー２５１〜２５４、及び第２張力印加ローラー対２５５、２５６を通過させて巻取りローラー２４２に貼着される。第１形成工程と同様に触媒塗布機２４４から巻取りローラー２４２までの中間加工物６０はカッター２６６による切断の際に製品と仕分けされる。
【００４８】
中間加工物６０を巻取りローラー２１２に貼着してセットできたら、第１形成工程と同様に長手方向において中間加工物６０がたるまないように供給ローラー２１１及び巻取りローラー２１２の速度を調整しつつ巻取りローラー２１２に向けて送る。その際の加湿機２４３、触媒塗布機２４４、乾燥部２４６、第１張力印加ローラー対２４７、２４８による触媒層１６の形成（第２形成工程）、及び加熱ローラー２５１〜２５４及び第２張力印加ローラー対２５５、２５６によるシワの除去は第１形成工程と同様であるため、説明を省略する。第２形成工程によって中間加工物６０の拡散部材が貼着していない側に触媒層１６が形成された状態の中間加工物７０ができる。
【００４９】
中間加工物７０は、第２貼着工程の供給ローラー２６１に巻き付けられる。第２貼着工程では、供給ローラー２６１から中間加工物７０の端部が剥離され、拡散部材供給ローラー２６２から拡散部材の端部が剥離されて、加熱加圧ローラー２６４と回転ローラー２６５との間を通過させて送り台２６７に載置する状態にセットされる。
【００５０】
セットが完了したら、中間加工物７０と拡散部材とがたるまないように供給ローラー２６１及び拡散部材供給ローラー２６２の速度を同期させながら中間加工物７０及び拡散部材を加熱ローラー２６４と回転ローラー２６５との間に送る。これによって、拡散部材が電解質膜１１の両面に貼着した状態となる。
【００５１】
そして、切断工程において送り台２６７に長手方向に中間加工物７０及び拡散部材が所定長さ搬送されたら、供給ローラー２６１及び拡散部材供給ローラー２６２の送りを停止する。そして、カッター２６６によって切断する。これによってフレーム部材１５が取り付けられる前の状態の膜電極接合体１０が形成され、フレーム部材３０を取り付けることによってセパレータとの積層が可能になり、燃料電池セル、燃料電池が形成される。
【００５２】
次に本実施形態に係る作用効果について説明する。膜電極接合体を有する燃料電池を備えた自動車は現在においていまだ量産化にまで十分に至っていない。また、膜電極接合体は、薄膜状の部品であるため、製造の際のシワの発生に留意する必要があり、量産化に向けてはこのような点に留意しつつ、さらなる生産性の向上が求められている。
【００５３】
これに対し、本実施形態に係る膜電極接合体１０の製造方法では、第１形成工程において第１形成部２１０によって電解質膜１１の支持フィルム４０が貼着した側とは逆側に触媒インクを塗布して乾燥させ、触媒層１３を形成する。そして、第１貼着工程において供給ローラー２３１から送り出した中間加工物５０を構成する電解質膜１１から支持フィルム４０を剥離し、第１形成工程において触媒インクを塗布した側に拡散部材供給ローラー２３３から送り出した拡散部材を貼着させる。
【００５４】
そして、第２形成工程において第２形成部２４０によって支持フィルム４０を剥離した側に触媒インクを塗布して乾燥させて触媒層１６を形成し、第２貼着工程において第２形成工程において触媒インクを塗布した側に拡散部材供給ローラー２６２から送り出した拡散部材を加熱加圧ローラー２６４及び回転ローラー２６５によって貼着させる。
【００５５】
支持フィルムは触媒インク塗布時の電解質膜の膨潤を防止するとともに張力による電解質膜の伸びを抑制してシワの発生を防止する。これに対し、拡散部材は金網やカーボンペーパーなど比較的剛性の高いものによって形成される。そのため、拡散部材を電解質膜に加熱及び加圧して圧着させて電解質膜及び触媒層の一部を拡散部材にめりこませることによって、支持フィルムと同様に電解質膜の膨潤や伸びを抑制してしわの発生を防止することができる。よって、電解質膜１１を支持する支持フィルムを両面に貼らず、片面のみに貼着させ、他面には拡散部材を貼着させることによって、片面に支持フィルムを剥離させる工程及び片面の支持フィルムを省略することができ、従来に比べて生産性を向上させることができる。
【００５６】
また、第１貼着工程では生産現場において多用されているローラーによる加熱及び加圧によって電解質膜と拡散部材とを貼着している。そのため、両者の貼着に特別な装置を用いることなく貼着させることができ、さらなる生産性の向上を図ることができる。
【００５７】
また、第２貼着工程の後には触媒層１３，１６及びガス拡散層１４，１７が形成された長尺の電解質膜１１を枚葉状に切断する切断工程を行っている。そのため、量産に適したロール・ツー・ロールプロセスを用いてシート状の膜電極接合体１０を効率的に生産することができる。
【００５８】
また、第１形成工程及び第２形成工程では、触媒層１３、１６が形成された電解質膜１１を加湿して乾燥させることによって、触媒層形成後の電解質膜１１のシワを除去し、シワの発生による発電性能の低下を防止し得る膜電極接合体を得ることができる。
【００５９】
また、第１形成工程及び第２形成工程では、電解質膜１１の各面に表面が加温された加熱ローラー２２１〜２２４又は加熱ローラー２５１〜２５４を押し当てて電解質膜１１を展張した状態にしている。そのため、加熱ローラーを一方の面に押し当てた際に皺が逆側の面に張り出すことを抑制し、シワの発生を防止することができる。
【００６０】
また、第１形成工程及び第２形成工程において加熱ローラー２２１〜２２４及び加熱ローラー２５１〜２５４は、ローラー表面の温度を上流から下流にかけて一旦上昇させて下降させるように設定している。そのため、電解質膜１１が加温されてから常温まで冷却される際に発生しうる皴を製造工程において加熱ローラー２２１〜２２４及び加熱ローラー２５１〜２５４によって取り除くことができ、品質の高い電解質膜を有する膜電極接合体を得ることができる。
【００６１】
なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
【００６２】
図８、図９は本発明の変形例に係る膜電極接合体の製造方法に係る第１形成工程及び第１貼着工程について示す模式図である。第１貼着工程及び第２貼着工程は、電解質膜１１に触媒インクを塗布して乾燥部２１６、２４６による触媒層の形成、及び加湿機２１９、２４９、加熱ローラー２２１〜２２４、２５１〜２５４によるシワ取りを行った後に行う実施形態について説明したが、これに限定されない。
【００６３】
つまり、図８に示すように加湿機２１３にて加湿を行い、触媒塗布機２１４において触媒インクを塗布し、加熱加圧ローラー２３４及び回転ローラー２３５によって拡散部材と電解質膜１１とを貼着させ、剥離ローラー２３６によって支持フィルム４０を剥離する。そして、乾燥部２１６の乾燥によって触媒層１３を形成し、加湿機２１９及び加熱ローラー２２１〜２２４によってシワを除去するようにすることができる。第２形成工程及び第２貼着工程は図８に示す第１形成工程及び第１貼着工程と同様であるため説明を省略する。このように構成することによって中間加工物５０、７０を経ることなく膜電極接合体を得ることができる。
【００６４】
また、第１貼着工程では拡散部材を電解質膜１１に貼着させた後に電解質膜１１から支持フィルム４０を剥離させる実施形態について説明したが、図９に示すように電解質膜１１に拡散部材を貼着させる前に剥離ローラー２３６によって支持フィルム４０を剥離させるようにすることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１００  燃料電池セル、
１０  膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１１  電解質膜、
１２  アノード、
１３  触媒層、
１４  ガス拡散層、
１５  カソード、
１６  触媒層、
１７  ガス拡散層、
２１、２２  セパレータ、
３０  ＭＥＡのフレーム部材、
２１０  第１触媒塗布部、
２１１、２３１、２４１、２６１  供給ローラー、
２１２、２３２、２４２  巻取りローラー、
２１３、２１９、２４３、２４９  加湿機、
２１４、２４４  触媒塗布機、
２１５、２４５  中間支持ローラー、
２１６、２４６  乾燥部、
２１７、２２５、２４７、２５５  移動ローラー、
２１８，２２６、２４８、２５６  回転ローラー、
２２１〜２２４、２５１〜２５４  加熱ローラー、
２３０  第１拡散部材貼着部、
２３３、２６２  拡散部材供給ローラー、
２３４、２６４  加熱加圧ローラー、
２３５、２６５  回転ローラー、
２３６  剥離ローラー、
２３７、２３８、２６３  押し付けローラー、
２４０  第２触媒塗布部、
２６０  第２拡散部材貼着部、
２６６  カッター、
２６７  送り台、
５０、６０、７０  中間加工物。
【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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