(57)【要約】【課題】電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体のより簡便な製造手法を提供する。【解決手段】膜電極接合装置１００は、第１プロセスにおいて、電極Ｄを所定ピッチでシート状電解質膜ＤＳに配設し、電極配設済みのシート状電解質膜ＤＳを、巻き取りローラー１３２の周囲にロール状に巻き取る。この巻き取りに際して、シート状電解質膜ＤＳに長尺方向に沿った張力Ｔを掛ける。これにより、シート状電解質膜ＤＳは、その膜面に電極Ｄを密着させたまま張力Ｔを受けつつロール状に巻き取られることから、巻き取られるシート状電解質膜ＤＳには、ロール中心に向かう径方向応力σｒが発生する。この径方向応力σｒは、シート状電解質膜ＤＳの膜面に所定ピッチで配設済みの電極Ｄを当該膜面に押し付けるよう作用する。【選択図】図１
2012084293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の膜面に電極を接合して膜電極接合体を形成する膜電極接合方法であって、
長尺のシート状とされたシート状電解質膜の膜面に、前記電極を前記シート状電解質膜の長尺方向に沿って所定ピッチで配設する電極配設工程と、
前記所定ピッチで前記電極が配設済みの前記シート状電解質膜をロール状に巻き取る巻き取り工程と、
前記シート状電解質膜をロール状に巻き取った状態で、前記シート状電解質膜の膜面への前記電極の熱転写が可能な温度環境下で保管する保管工程とを備える
膜電極接合方法。
【請求項２】
前記巻き取り工程は、前記シート状電解質膜に前記長尺方向に沿った張力を掛けつつ、前記シート状電解質膜をロール状に巻き取ることで、ロール状に巻き取られた前記シート状電解質膜にロール中心に向かうロール半径方向の応力を掛ける、請求項１に記載の膜電極接合方法。
【請求項３】
前記巻き取り工程は、前記ロール半径方向の応力が一定となるように、前記シート状電解質膜に前記長尺方向に沿って掛ける前記張力を前記シート状電解質膜の巻き取りロール径に応じて調整する、請求項２に記載の膜電極接合方法。
【請求項４】
前記電極配設工程は、前記シート状電解質膜の膜面に配設済みの前記電極を加熱する請求項１ないし請求項３いずれかに記載の膜電極接合方法。
【請求項５】
前記電極配設工程は、前記電極が剥離可能に付着した基材を用い、該基材に付着済みの前記電極を前記シート状電解質膜の膜面に向かせて、前記基材ごと、前記シート状電解質膜の長尺方向に沿って所定ピッチで配設する請求項１ないし請求項４いずれかに記載の膜電極接合方法。
【請求項６】
電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体の製造方法であって、
請求項１ないし請求項５いずれかに記載の膜電極接合方法で得られた前記シート状電解質膜のロール状の巻き取り完了品から、前記シート状電解質膜を巻き戻し、前記電極を含む領域ごとに前記シート状電解質膜を切断する
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、電解質膜の膜面に電極を接合して形成する膜電極接合方法と、膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体は、燃料電池の発電単位として用いられる。燃料電池は、この膜電極接合体におけるアノードとカソードの両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給し、水素と酸素の電気化学反応により発電する。このように膜電極接合体は、燃料電池の基幹部材であることから、種々の製造手法が提案されている（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２９７５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献では、電解質膜の膜面への電極（触媒層）の接合を、ローラーを用いたローラー転写により行っている。一般に、こうしたローラー転写は、ローラーを加熱し、或いは加熱環境下でローラーを電解質膜に押圧する熱転写方式となる。熱転写での電解質膜の膜面への電極接合の実効性確保には、ローラー回転速度を遅くして熱転写時間を長くしたり、ローラーでの押圧を高める等の工程設計が必要であった。ところが、熱転写の長時間化は生産性の低下を招きがちとなり、ローラー押圧を高めるには、押圧ローラーの増加やローラー機構の大型化が必要となることから、ランニングコストの増大が懸念される。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体をより簡便に得ることができる新たな手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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００７】
[適用１：膜電極接合方法]
電解質膜の膜面に電極を接合して膜電極接合体を形成する膜電極接合方法であって、
長尺のシート状とされたシート状電解質膜の膜面に、前記電極を前記シート状電解質膜の長尺方向に沿って所定ピッチで配設する電極配設工程と、
前記所定ピッチで前記電極が配設済みの前記シート状電解質膜をロール状に巻き取る巻き取り工程と、
前記シート状電解質膜をロール状に巻き取った状態で、前記シート状電解質膜の膜面への前記電極の熱転写が可能な温度環境下で保管する保管工程とを備える
ことを要旨とする。
【０００８】
上記構成を備える膜電極接合方法では、電極がシート状電解質膜の長尺方向に沿って所定ピッチで配設済みのシート状電解質膜をロール状に巻き取るので、巻き取り後の状態では、電極配設済みのシート状電解質膜が重なることになる。こうして巻き取られたシート状電解質膜は、その巻き取り状態のままであることから、電極配設済みのシート状電解質膜は、その膜面に電極を密着させた上で、ロール状巻き取りの際の力を受ける。そして、この力は、シート状電解質膜の膜面への電極の熱転写が可能な温度環境下で保管される間において、シート状電解質膜が巻き取り状態のままであることから、維持されるので、シート状電解質膜の膜面への電極接合のために働く。よって、上記構成の膜電極接合方法によれば、押圧ローラーや押圧駆動のための設備機器が不要となるので、コスト低減に寄与できる。しかも、上記構成の膜電極接合方法によれば、上記した応力による電解質膜の膜面への電極接合を上記の保管期間において達成するので、この電極接合を、保管前の工程、具体的には、所定ピッチでの電極配設やシート状電解質膜の巻き取りを行うライン外工程、つまりオフラインとできる。このことは、電極接合の進行状況に合わせて保管前の工程を行う必要がなくなることを意味するので、生産効率の低下を抑制できる。
【０００９】
このように電極配設済みのシート状電解質膜を巻き取るに当たり、シート状電解質膜に長尺方向に沿った張力を掛けるようにできる。こうすれば、シート状電解質膜は、こうした張力を受けつつロール状に巻き取られることから、このシート状電解質膜の巻き取りは、シート状電解質膜を基材と仮定した場合におけるこの基材に発生するロール内部応力のモデルが適用できる（例えば、(株)情報機構発刊の「ロールｔｏロール要素技術と可能性」における第６章Ｒｏｌｌ  ｔｏ  Ｒｏｌｌ搬送・制御技術）。そして、このロール内部応力のモデルによれば、上記張力（周方向応力）を掛けつつロール状に巻き取られた基材（シート状電解質膜）は、ロール中心に向かうロール半径方向の応力（ロール内部の径方向応力）を受ける。この応力は、シート状電解質膜の膜面に所定ピッチで配設済みの電極を当該膜面に押し付けるよう作用する。そして、この応力（電極の押し付け力）は、シート状電解質膜のロール状の巻き取り完了品が所定の温度環境下（シート状電解質膜の膜面への電極の熱転写が可能な温度環境下）で保管される保管期間に亘って作用するので、この保管期間において、電解質膜の膜面に電極を確実に接合できる。よって、既述した効果を確実に奏することができる。
【００１０】
上記構成を備える膜電極接合方法は、次のような態様とすることができる。例えば、前記巻き取り工程において、前記ロール半径方向の応力が一定となるように、前記シート状電解質膜に前記長尺方向に沿って掛ける前記張力を前記シート状電解質膜の巻き取りロール径に応じて調整するようにできる。こうすれば、シート状電解質膜の巻き取り位置、詳しくは巻き取られた箇所のロール半径に拘わらず一定のロール半径方向の応力で電極をシート状電解質膜の膜面に作用させることができるので、電解質膜の膜面への電極接合の均一化、延いては、膜電極接合体の品質の均一化を図ることができる。
【００１１】
また、前記電極配設工程において、前記シート状電解質膜の膜面に配設済みの前記電極を加熱するようにすれば、シート状電解質膜の膜面への電極の熱転写が可能な温度にて電極の接合をシート状電解質膜の巻き取り当初から図ることができる。よって、早期の内に電解質膜の膜面への電極接合を図ることができ、生産性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、前記電極配設工程にて電極を配設するに当たり、前記電極が剥離可能に付着した基材を用い、該基材に付着済みの前記電極を前記シート状電解質膜の膜面に向かせて、前記基材ごと、前記シート状電解質膜の長尺方向に沿って所定ピッチで配設するようにできる。既述した特許文献にもあるように、電解質膜への電極転写に先だち、既存の手法では電極を予め基材に付着させておいてその基材の取扱を経て電極配設を行うので、上記態様によれば、既存手法での電極配設が可能となり、既存設備の有効利用を図ることができる。
【００１３】
[適用２：膜電極接合体の製造方法]
電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体の製造方法であって、
上記したいずれかの膜電極接合方法で得られた前記シート状電解質膜のロール状の巻き取り完了品から、前記シート状電解質膜を巻き戻し、前記電極を含む領域ごとに前記シート状電解質膜を切断する
ことを要旨とする。
【００１４】
上記構成を備える膜電極接合体の製造方法では、電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体を容易に製造できる。しかも、シート状電解質膜の巻き戻しと切断で済むことから、特段の設備機器が不要となるので、コスト低減にも寄与できる。
【００１５】
本発明は、上記した膜電極接合体を有する燃料電池としても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例の膜電極接合体製造工程を模式的に示す説明図である。
【図２】第１プロセスにおける設備機器構成を模式的に示す説明図である。
【図３】基材Ｋへの電極Ｄの付着形成の様子を説明する説明図である。
【図４】巻き取りローラー１３２にシート状電解質膜ＤＳを巻き取り終えた電解質巻き取り体ＤＳｒに作用する内部応力の概要を示す説明図である。
【図５】シート状電解質膜ＤＳの巻き取りに伴う径方向応力σｒと周方向応力σθの様子を示す説明図である。
【図６】電解質巻き取り体ＤＳｒをローラー押圧する変形例を示す説明図である。
【図７】第２変形例の第１プロセスの概略を示す説明図である。
【図８】第３変形例の第１プロセスの概略を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の膜電極接合体製造工程を模式的に示す説明図、図２は第１プロセスにおける設備機器構成を模式的に示す説明図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施例の膜電極接合装置１００では、電極配設とその加熱およびシート巻き取りを担う第１プロセスと、保管による電極接合を担う第２プロセスと、シート巻き戻しと基材剥離およびシート切断を担う第３プロセスとを順次実行することで、矩形形状の電解質膜ＤＳｐの膜面に電極Ｄが接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を、長尺のシート状とされたシート状電解質膜ＤＳから製造する。シート状電解質膜ＤＳは、シート状ではあるものの、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電極Ｄは、例えば白金あるいは白金合金等の触媒、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させ、この触媒担体をプロトン伝導性を有する電解質樹脂で薄膜状に形成された触媒電極層である。電極Ｄの形成については後述する。
【００１９】
第１プロセスでは、シート状電解質膜ＤＳが巻き取り搬送される過程のストレート状の搬送経路において、電極配設部１１０と電極加熱部１２０による工程を実行し、その後に、巻き取り部１３０による工程を実行する。電極配設部１１０は、図２に示すように、対となる上流ローラー対１１２と、駆動調整機器１１３と、電極配設機器１１４とを備える。上流ローラー対１１２は、駆動調整機器１１３による送り回転駆動制御とブレーキ制御を受けながら、シート状電解質膜ＤＳを下流側に送り出す。電極配設機器１１４は、電極Ｄを表面に付着形成済みの基材Ｋを基材電極体ＤＫとして基材Ｋごと取り扱い、基材Ｋに付着済みの電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に向かせて、基材Ｋごと、シート状電解質膜ＤＳの膜面に配設する。この際の配設状況については後述する。駆動調整機器１１３による上流ローラー対１１２の駆動およびブレーキ制御と、電極配設機器１１４による基材電極体ＤＫの配設制御は、制御装置２００にてなされる。
【００２０】
図３は基材Ｋへの電極Ｄの付着形成の様子を説明する説明図である。基材電極体ＤＫを得るに当たり、本実施例では、まず、電極Ｄの形成用の触媒ペーストを用意し、この触媒ペーストを、所定の基材Ｋ（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）から成る基材）上に塗布する（図３（Ａ））。これら基材Ｋは、電極Ｄを剥離可能に付着させる。触媒ペーストは、触媒である白金あるいは白金合金を担持したカーボン粒子と、シート状電解質膜ＤＳと同様のフッ素系高分子電解質とを含有するペーストである。例えば、白金を担持したカーボン粒子は、カーボンブラック等から成るカーボン粒子を、白金化合物の溶液（例えば、テトラアンミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液や白金硝酸塩溶液、あるいは塩化白金酸溶液など）中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法によって作製する。このようにして作製した触媒担持カーボン粒子を、適当な水および有機溶剤中に分散させると共に、既述した電解質を含有する電解質溶液をさらに混合することで、触媒ペーストが得られる。このような触媒ペーストの基材Ｋへの塗布は、例えば、グラビア印刷、スプレー法、スクリーン印刷、ドクターブレード法、ダイコート法あるいはインクジェット法により行なうことができる。
【００２１】
次いで、基材Ｋに塗布した触媒ペーストを乾燥させることで、この乾燥の触媒ペーストが後に電極Ｄとなり、この状態で基材Ｋの表面に電極Ｄ（乾燥状況触媒ペースト）が付着した基材電極体ＤＫが得られる。この場合、触媒ペーストを半乾燥の状態としておくこともできる。そして、この基材電極体ＤＫは、その基材Ｋにおいて電極配設機器１１４（図２参照）に把持等され、シート状電解質膜ＤＳの膜面に配設される。
【００２２】
電極加熱部１２０は、加熱ヒーター１２２をシート状電解質膜ＤＳの上方に備え、当該ヒーターにて、シート状電解質膜ＤＳに配設済みの電極Ｄを、基材Ｋの側から加熱する。加熱ヒーター１２２による加熱温度の調整は、制御装置２００にてなされ、加熱ヒーター１２２は、電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳのガラス転移点温度以上に加熱する。この加熱温度は、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写が可能な温度である。
【００２３】
巻き取り部１３０は、巻き取りローラー１３２と、その駆動モータ１３４とを備え、制御装置２００による駆動モータ１３４の駆動制御を経て、シート状電解質膜ＤＳをシート端部から巻き取りローラー１３２の周囲に巻き取る。この場合、巻き取りローラー１３２は、その外周に図示しないスリットを備え、当該スリットによりシート状電解質膜ＤＳのシート端部を噛み込んで保持する。制御装置２００は、駆動モータ１３４によるシート状電解質膜ＤＳの巻き取り速度と電極配設部１１０における駆動調整機器１１３のブレーキ状況とに基づいて、電極Ｄが配設済みのシート状電解質膜ＤＳにその長尺方向に沿った張力Ｔを掛けつつ、シート状電解質膜ＤＳを巻き取りローラー１３２の周囲にロール状に巻き取る。つまり、シート状電解質膜ＤＳは、電極Ｄ（詳しくは基材電極体ＤＫ）を配設したまま巻き取りローラー１３２に巻き取られ、巻き取り完了に伴って電解質巻き取り体ＤＳｒとなる。この場合、電解質巻き取り体ＤＳｒは、巻き取ったシート状電解質膜ＤＳが巻戻らないようシート終端Ｓｅにおいて、固定具Ｓｔによりシート終端で固定されている。また、巻き取り部１３０の手前における電極加熱部１２０にて、基材電極体ＤＫの電極Ｄはシート状電解質膜ＤＳのガラス転移点温度以上に加熱されていることから、電極Ｄはこの温度をほぼ保ったまま、シート状電解質膜ＤＳと共に巻き取られる。
【００２４】
制御装置２００は、上記のように張力を受けて巻き取りローラー１３２に巻き取られるシート状電解質膜ＤＳの巻き取り速度、詳しくは電極配設部１１０を含むストレート状の搬送経路におけるシート状電解質膜ＤＳの搬送速度に応じて電極配設機器１１４を駆動制御することで、基材電極体ＤＫを単位として、電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの上に長尺方向に沿って所定ピッチで配設する。これにより、電極Ｄは、シート状電解質膜ＤＳの膜面に接して所定ピッチで配設されて電解質膜面に密着することになる。この電極Ｄの配設ピッチは、等ピッチとできるほか、不等ピッチとすることもできる。等ピッチで電極Ｄを配設すれば、後述の第３プロセス終了後に同一サイズの電極Ｄを有する膜電極接合体が得られ、不等ピッチであれば、異なるサイズの電極Ｄを有する膜電極接合体が得られる。なお、図２では、基材電極体ＤＫとシート状電解質膜ＤＳの模式的な描画のために、この両者を同等の厚みとしているが、基材電極体ＤＫの厚みは、シート状電解質膜ＤＳよりも薄いほうが好ましい。基材電極体ＤＫを薄くすれば、電極加熱部１２０から受けた熱が伝わりやすくなり、効率的に電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳに接合できるほか、電極Ｄの材料の節約を図ることができる。
【００２５】
次に、シート状電解質膜ＤＳの巻き取りに伴って電極Ｄに作用する応力の様子について説明する。図４は巻き取りローラー１３２にシート状電解質膜ＤＳを巻き取り終えた電解質巻き取り体ＤＳｒに作用する内部応力の概要を示す説明図、図５はシート状電解質膜ＤＳの巻き取りに伴う径方向応力σｒと周方向応力σθの様子を示す説明図である。これら図および関連する下記の記述は、(株)情報機構発刊の「ロールｔｏロール要素技術と可能性」における第６章Ｒｏｌｌ  ｔｏ  Ｒｏｌｌ搬送・制御技術で述べられた応力解析を踏襲したものである。
【００２６】
図４に示すように、巻戻りのない状態の電解質巻き取り体ＤＳｒには、既述したようにシート状電解質膜ＤＳに巻き取りの際に長尺方向に沿った張力Ｔを掛けていることから、径方向応力σｒと周方向応力σθと巾方向応力σｚのロール内部応力が発生する。電解質巻き取り体ＤＳｒでは、巻き取られたシート状電解質膜ＤＳが層状に重なることから、シート状電解質膜ＤＳと共に巻き取られた電極Ｄをロール中心に向けて作用する応力は、径方向応力σｒとなり、巾方向応力σｚと周方向応力σθについては、その分力が電極Ｄに作用するとしても、ごく僅かなため、無視できる。
【００２７】
図５に示すように、シート状電解質膜ＤＳの巻き取り前にあっては、巻き取りローラー１３２の外周には当然に何の力も作用しないが、シート状電解質膜ＤＳをこれに上記の張力Ｔを掛けつつ巻き取りローラー１３２に巻き取ると、電解質巻き取り体ＤＳｒの最初の巻き取り層のシート状電解質膜ＤＳには、ロール中心に向かう径方向応力σｒが発生し、当該応力は巻き取りローラー１３２の外周側に作用する。図においては基材電極体ＤＫを示していないが、この基材電極体ＤＫは巻き取られるシート状電解質膜ＤＳの内周面側に位置して電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に接していることから、基材電極体ＤＫの電極Ｄは、上記のシート状電解質膜ＤＳの側からロール中心に向けて径方向応力σｒを受けることになる。つまり、径方向応力σｒは、シート状電解質膜ＤＳの膜面に所定ピッチで配設済みの電極Ｄを当該膜面に押し付けるよう作用することになる。シート状電解質膜ＤＳの巻き取りが進む状況では、張力Ｔを受けて新たに巻き取られつつあるシート状電解質膜ＤＳにおいて、既述したようにロール中心に向かう径方向応力σｒが発生し、当該応力はその巻き取られつつあるシート状電解質膜ＤＳの内周面側の電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に押し付けるよう作用する。そして、こうした電極Ｄの押し付けが、巻き取られつつあるシート状電解質膜ＤＳにおいて起きることになる。
【００２８】
上記したようにシート状電解質膜ＤＳに生じる径方向応力σｒは、上記した書籍で述べられた内部応力解析モデルに述べられているように、シート状電解質膜ＤＳの巻き取りの際に加える張力Ｔｗ（図５では、巻き取り数に対応してＴ１、Ｔ２と記述）を変数として、下記の数式１で表される。
【００２９】
【数１】
2012084293.tif 000003
【００３０】
この数式１において、張力Ｔｗ以外の添え文字ａ、ｂ等は係数もしくは変数であり、ｒは任意のロール径、Ｒはロール外半径、ｓはロール外半径Ｒと任意のロール径ｒの差分である。係数ａは下記の数式２にて導出される。
【００３１】
【数２】
2012084293.tif 000004
【００３２】
この数式２において、εｃは、電解質巻き取り体ＤＳｒを構成するシート状電解質膜ＤＳの電解質巻き取り体ＤＳｒにおける半径方向弾性係数Ｅｒと円周方向弾性係数Ｅｔとで定まるコアに対する相対的な半径方向圧縮率であり、εｃ＝Ｅｔ／Ｅｒとなる。
【００３３】
また、数式２におけるγは、下記の数式３〜４にて導出される。
【００３４】
【数３】
2012084293.tif 000005
【００３５】
この数式３において、εｒは、電解質巻き取り体ＤＳｒを構成するシート状電解質膜ＤＳの電解質巻き取り体ＤＳｒにおけるコア弾性係数Ｅｃと円周方向弾性係数Ｅｔとで定まるロールに対する相対的な半径方向圧縮率であり、εｒ＝Ｅｔ／Ｅｃとなる。数式４におけるμｔ、μｒは、電解質巻き取り体ＤＳｒを構成するシート状電解質膜ＤＳの電解質巻き取り体ＤＳｒにおける円周方向ポアソン比と半径方向ポアソン比であり、δは異方性ポアソン比となる。
【００３６】
そして、数式２におけるμは、等方性ポアソン比であり、円周方向ポアソン比μｔと半径方向ポアソン比μｒと上記の半径方向圧縮率εｒとから次の数式５で導出される。
【００３７】
【数４】
2012084293.tif 000006
【００３８】
また、数式１における係数ｂは、上記の係数ａを用いて下記の数式６から導出される。
【００３９】
【数５】
2012084293.tif 000007
【００４０】
本実施例では、上記の数式１に記したように、シート状電解質膜ＤＳに生じる径方向応力σｒは、シート状電解質膜ＤＳの巻き取りの際に加える張力Ｔｗを変数として定まることから、巻き取り部１３０におけるシート状電解質膜ＤＳの巻き取りを行うに当たり、制御装置２００により張力Ｔをシート状電解質膜ＤＳの巻き取り外径に応じて調整することで、シート状電解質膜ＤＳに生じる径方向応力σｒが一定となるようにした。具体的には、シート状電解質膜ＤＳの巻き取りを重ねる毎に張力Ｔを調整したり、電解質巻き取り体ＤＳｒの巻き取り総数を等分割し、その分割した巻き取り数毎に張力Ｔを調整して、シート状電解質膜ＤＳに生じる径方向応力σｒをシート状電解質膜ＤＳの巻き取り毎に、或いは等分割数の巻き取り数毎に一定とした。しかも、電極加熱部１２０による加熱を巻き取り部１３０の手前で行うので、シート状電解質膜ＤＳは、電極Ｄがガラス転移点温度以上の温度のまま、巻き取りローラー１３２に巻き取られ、電解質巻き取り体ＤＳｒをなす。また、電解質巻き取り体ＤＳｒは、固定具Ｓｔにより巻戻りが起きないようにされるので、径方向応力σｒは、電極Ｄに上記したように作用したままとなる。
【００４１】
上記した第１プロセスに続く第２プロセスは、図１に示すように、恒温保管室１４０に、第１プロセス終了済みの電解質巻き取り体ＤＳｒ、即ち、固定具Ｓｔにて巻戻りがない状態とされた電解質巻き取り体ＤＳｒを保管する。恒温保管室１４０は、天井ヒーター１４２と図示しない攪拌機を備え、室内をシート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写が可能な温度環境下、具体的にはシート状電解質膜ＤＳのガラス転移点温度の環境下、もしくは当該温度以上の環境下に維持する。これにより、電解質巻き取り体ＤＳｒは、恒温保管室１４０での保管期間に亘って、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写が可能な温度環境下に置かれるので、電極Ｄにあっては、この保管期間において、径方向応力σｒを受けたまま熱転写が可能な温度に晒されることになる。この場合、電解質巻き取り体ＤＳｒの保管期間は、シート状電解質膜ＤＳの性状や、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写の状況等に応じて適宜設定すればよい。
【００４２】
続く第３プロセスは、上記の第２プロセスを経た電解質巻き取り体ＤＳｒを恒温保管室１４０から図示しない作業ラインに搬送し、固定具Ｓｔを取り除いてシート終端Ｓｅ（図４参照）から電解質巻き取り体ＤＳｒを巻き戻し、シート状電解質膜ＤＳがストレート状の搬送経路となるよう搬送する。その搬送の過程で、図示しない基板剥離ローラーを基材電極体ＤＫにおける基材Ｋに押し当てつつ回転させて、基材Ｋを順次剥離する。そして、基材Ｋの剥離箇所下流において、図示しないローラーカッター等の切断機器にて、シート状電解質膜ＤＳを、電極Ｄを中央に含むよう図示する切断ラインＣＬに沿って切断する。これにより、電極Ｄを中央に含んだ上で、この電極Ｄを膜面に接合した矩形形状の電解質膜ＤＳｐ、即ち膜電極接合体ＭＥＡを得ることができる。そして、得られた電解質膜ＤＳｐを電極Ｄが外側を向くよう背中合わせに接合すれば、電解質膜の両膜面にアノード・カソードの両電極Ｄを接合した膜電極接合体ＭＥＡを得ることができる。
【００４３】
この場合、第１プロセスにおいて、シート状電解質膜ＤＳの表裏面のそれぞれに同ピッチで基材電極体ＤＫを配設して、この状態で巻き取りローラー１３２に巻き取るようにすることもできる。こうすれば、第３プロセスの切断を経て、電解質膜の両膜面にアノード・カソードの両電極Ｄを接合した膜電極接合体を得ることができる。なお、上記のようにシート状電解質膜ＤＳの表裏面に基材電極体ＤＫを配設してシート状電解質膜ＤＳを巻き取る際、最外層のシート状電解質膜ＤＳの外側に基材電極体ＤＫが位置する。よって、上記の巻き取りに当たっては、電解質巻き取り体ＤＳｒの最外層、もしくは最外層から数層の巻き取り領域においては、基材電極体ＤＫを配設しないようにすればよい。また、電解質巻き取り体ＤＳｒにおいては、表裏に基材電極体ＤＫが位置することから、シート状電解質膜ＤＳの巻き取りの際には、剥離シートをシート状電解質膜ＤＳの一方の面に重ねて巻き取ればよい。
【００４４】
以上説明したように、図１の第１〜第３プロセスを行う本実施例によれば、第１プロセスにおいて、電極Ｄを所定ピッチで配設済みのシート状電解質膜ＤＳを巻き取りローラー１３２の周囲にロール状に巻き取るに当たり、シート状電解質膜ＤＳに長尺方向に沿った張力Ｔを掛ける。シート状電解質膜ＤＳは、その膜面に電極Ｄを密着させたままこうした張力Ｔを受けつつロール状に巻き取られることから、図４〜図５で説明したように、巻き取られるシート状電解質膜ＤＳには、ロール中心に向かう径方向応力σｒが発生し、この径方向応力σｒは、シート状電解質膜ＤＳの膜面に所定ピッチで配設済みの電極Ｄを当該膜面に押し付けるよう作用する。
【００４５】
そして、巻き取り完了品である電解質巻き取り体ＤＳｒは、固定具Ｓｔにより巻き戻りが起きないようにされた上で、第２プロセスの恒温保管室１４０において、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写が可能な温度環境下（シート状電解質膜ＤＳのガラス転移点温度の環境下、もしくは当該温度以上の環境下）に保管される。この保管期間において、電解質巻き取り体ＤＳｒには巻き戻りが起きないので、上記の径方向応力σｒは、継続して電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に押し付ける。よって、第２プロセスにおける恒温保管室１４０での保管期間において、シート状電解質膜ＤＳの膜面に電極Ｄを確実に接合できる。この結果、本実施例の膜電極接合手法（第１〜第２プロセス）によれば、従来必要であって押圧ローラーやローラー押圧駆動のための設備機器が不要となるので、コスト低減を図ることができる。しかも、本実施例の膜電極接合手法（第１〜第２プロセス）によれば、径方向応力σｒによるシート状電解質膜ＤＳの膜面への電極接合を恒温保管室１４０での電解質巻き取り体ＤＳｒの保管期間において達成できるので、この電極接合を、保管前の工程である第１プロセス（電極配設と巻き取り）のライン外の工程、つまりオフラインとできる。よって、第１プロセスを第２プロセスの進行状況に合わせて行う必要はなくなることから、第１プロセスを随時行って電解質巻き取り体ＤＳｒを第２プロセスの保管に回せばよい。よって、電極接合に合わせてその前工程（第１プロセス）の進行状況を調整する必要がなくなり、生産効率の向上を図ることができる。
【００４６】
また、本実施例の膜電極接合手法（第１〜第２プロセス）では、その第１プロセスにおけるシート状電解質膜ＤＳの巻き取りに際して、制御装置２００により張力Ｔをシート状電解質膜ＤＳの巻き取り外径に応じて調整することで、シート状電解質膜ＤＳに生じて電極Ｄに押し付け力として作用する径方向応力σｒを一定となるようにした。このため、本実施例の膜電極接合手法によれば、シート状電解質膜ＤＳの巻き取り毎に、或いは等分割数の巻き取り数毎に一定の径方向応力σｒで電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に作用させることができるので、電解質膜膜面への電極接合の均一化、延いては、膜電極接合体の品質の均一化を図ることができる。
【００４７】
また、本実施例の膜電極接合手法（第１〜第２プロセス）では、その第１プロセスにおいて、図１に示すように、シート状電解質膜ＤＳを巻き取りローラー１３２に巻き取る前に、シート状電解質膜ＤＳの膜面に電極Ｄを密着させた上で、その電極Ｄを加熱ヒーター１２２により加熱するようにした。そして、この際の加熱温度は、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極Ｄの熱転写が可能な温度であることから、本実施例の膜電極接合手法（第１〜第２プロセス）によれば、巻き取りローラー１３２へのシート状電解質膜ＤＳの巻き取り当初から、電極接合を図ることができ、生産性の向上を図ることができる。
【００４８】
また、本実施例の膜電極接合手法（第１プロセス）では、シート状電解質膜ＤＳの膜面への電極配設に当たり、電極Ｄを剥離可能に付着させた基材Ｋを用い、基材Ｋに付着済みの電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に向かせて、基材Ｋごと、所定ピッチで配設するようにした。こうした電極Ｄの配設手法は、既存手法であることから、既存手法での電極配設が可能となり、既存設備の有効利用を図ることができる。
【００４９】
また、本実施例の第３プロセスでは、保管の間に電極Ｄが膜面に接合済みの電解質巻き取り体ＤＳｒを巻き戻し、その巻き戻したシート状電解質膜ＤＳを電極Ｄを中央に含むように切断するだけで、電極Ｄが膜面に接合した膜電極接合体を容易に製造できる。しかも、シート状電解質膜ＤＳの巻き戻しと切断で済むことから、特段の設備機器が不要となるので、低コスト化を図ることができる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、その第１プロセスにおいてシート状電解質膜ＤＳに張力Ｔを掛けつつ巻き取りようにしたが、巻き取られた電解質巻き取り体ＤＳｒを押圧するように変形することもできる。図６は電解質巻き取り体ＤＳｒをローラー押圧する変形例を示す説明図である。図示するように、この第１変形例では、巻き取りローラー１３２と平行に押圧ローラー１５０を備え、この押圧ローラー１５０を回転させながら電解質巻き取り体ＤＳｒに押し付ける。こうすれば、電解質巻き取り体ＤＳｒにおいて、上記した径方向応力σｒとローラー押圧力とを電極Ｄに作用させることができるので、電解質膜膜面への電極接合の実効性を高めることができると共に、第２プロセスでの保管時間を短縮できる。
【００５１】
図７は第２変形例の第１プロセスの概略を示す説明図である。図示するように、この変形例の膜電極接合装置１００Ａは、長尺のシート状とされた基材シートＫＳにノズル１６０から既述した触媒ペーストを噴出し、基材シートＫＳの表面に所定ピッチで電極Ｄを形成する。この基材シートＫＳは、乾燥反転装置１６２に送り込まれ、当該装置において電極Ｄの乾燥（図３参照）とシート反転に処され、案内ローラー１６４により案内されて、電極Ｄがシート状電解質膜ＤＳの膜面に密着するようシート状電解質膜ＤＳと重ね合わされる。そして、膜電極接合装置１００Ａは、シート状電解質膜ＤＳと基材シートＫＳとを重ねたまま、巻き取りローラー１３２に巻き取る。この際、シート状電解質膜ＤＳには既述したように張力Ｔが掛けられる。この変形例にあっても、電解質巻き取り体ＤＳｒの状態において、既述したように径方向応力σｒにより電極Ｄをシート状電解質膜ＤＳの膜面に接合できるほか、第３プロセスにおける基材シートＫＳの剥離が簡便となる。
【００５２】
図８は第３変形例の第１プロセスの概略を示す説明図である。図示するように、この変形例の膜電極接合装置１００Ｂは、基材電極体ＤＫとほぼ同じ厚みの補助シートＨＳを、シート状電解質膜ＤＳに重ねて巻き取りローラー１３２に巻き取る。補助シートＨＳは、基材電極体ＤＫの形状に合わせた窓Ｗを基材電極体ＤＫの配設ピッチに合わせて備える。よって、シート状電解質膜ＤＳに補助シートＨＳが重なった状態では、基材電極体ＤＫは補助シートＨＳの窓Ｗに入り込むことになる。このため、この変形例では、電解質巻き取り体ＤＳｒにおいて重なり合うシート状電解質膜ＤＳをより密着させて巻き取ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１００、１００Ａ〜１００Ｂ…膜電極接合装置
１１０…電極配設部
１１２…上流ローラー対
１１３…駆動調整機器
１１４…電極配設機器
１２０…電極加熱部
１２２…加熱ヒーター
１３０…巻き取り部
１３２…巻き取りローラー
１３４…駆動モータ
１４０…恒温保管室
１４２…天井ヒーター
１５０…押圧ローラー
１６０…ノズル
１６２…乾燥反転装置
１６４…案内ローラー
２００…制御装置
Ｄ…電極
Ｋ…基材
Ｔ…張力
ＤＫ…基材電極体
ＣＬ…切断ライン
ＨＳ…補助シート
ＤＳ…シート状電解質膜
ＫＳ…基材シート
Ｓｔ…固定具
ＤＳｐ…電解質膜
ＤＳｒ…電解質巻き取り体
【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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