(57)【要約】【課題】  電解質膜に電極層を塗工してなる膜電極接合体に皺が発生するのを防止することができる燃料電池用膜電極接合体の製造装置を提供する。【解決手段】  固体高分子の電解質膜２に溶媒としてアルコールを含む電極ペースト１を塗工して電極層を形成する燃料電池用膜電極接合体の製造装置であって、電極ペースト１が塗工された電解質膜２が変形しないように固定すると共に電解質膜２を乾燥させる３つの第１固定ローラ３と、これらの第１固定ローラ３により送り出された電解質膜２が変形しないように固定すると共に電解質膜２に水分を吸収させる２つの第２固定ローラ４と、これらの固定ローラ３，４の間などに配設された６つの小径のローラ５などを備えてなる。水分の電解質膜２への吸収は、常温環境下で放置することにより行う。なお、作業環境の湿度を３０％〜６０％に調整しておくことが好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子の電解質膜に電極層を塗工してなる燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、電解質膜に溶媒としてアルコールを含む電極ペーストを塗工する塗工工程と、この塗工工程で電極ペーストが塗工された電解質膜を固定部材に固定して乾燥させる乾燥工程と、この乾燥工程で乾燥させた電解質膜を固定部材に固定しつつ電解質膜に水分を吸収させる吸湿工程を備えることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、前記吸湿工程は、前記電解質膜を加熱せず、雰囲気中の水分を前記電解質膜に吸収させることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
固体高分子の電解質膜に溶媒としてアルコールを含む電極ペーストを塗工して電極層を形成する燃料電池用膜電極接合体の製造装置であって、前記製造装置は、電解質膜に塗工された電極ペーストを乾燥させる乾燥部と、この乾燥部を経た電解質膜に水分を吸収させる吸湿部を備え、前記乾燥部は電極ペーストが塗工された電解質膜が変形しないように固定する一つ又は複数の第１固定手段と、この第１固定手段に固定された電解質膜を乾燥させる乾燥手段を備え、前記吸湿部は乾燥された電解質膜が変形しないように固定する第２固定手段を備えることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造装置において、前記乾燥手段は加熱乾燥炉であり、前記第１固定手段は平板の載置台の表面に電解質膜を固定する固定ステージであり、前記第２固定手段として前記第１固定手段を用い、前記第１固定手段を前記加熱乾燥炉から前記吸湿部へ移動させる移動手段を備えることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造装置において、前記乾燥手段は加熱乾燥炉であり、前記第１固定手段および前記第２固定手段は、側面に吸引孔を設け、この吸引孔から真空吸引して電解質膜を固定する固定ローラであり、前記第１固定手段の固定ローラは前記加熱乾燥炉内に設けられ、前記第２固定手段の固定ローラは前記加熱乾燥炉外の前記吸湿部に設けられていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造装置。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造装置において、前記第１固定手段および前記第２固定手段は、側面に吸引孔を設け、この吸引孔から真空吸引して電解質膜を固定する固定ローラであり、前記乾燥手段は、前記第１固定手段の固定ローラを加熱させることにより電解質膜を乾燥させ、前記第２固定手段の固定ローラは前記吸湿部を設けていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造装置において、前記固定ローラの間に前記固定ローラより小径のローラを配設し、これらの小径のローラの中心は前記固定ローラの中心を通る直線上に位置することを特徴とする燃料電池用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、固体高分子の電解質膜に電極層を塗工してなる燃料電池用膜電極接合体の製造方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、近年車両などの動力源として開発が進められている。燃料電池に使用する膜電極接合体は、触媒をアルコールなどの溶媒に分散させた電極インクやペーストを、ダイコータなどを用いて電解質膜の表面に塗工することにより作製される。ところが、電解質膜は電極インク中の溶媒や水分などの吸収状態により膨潤・収縮を生じ易いという性質があり、電極インクの塗工・乾燥により電解質膜に皺が発生するという問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するために、特許文献１には、電解質膜が面方向に変形しないよう、電解質膜を粘着シート上に固着して電極インクの塗工・乾燥を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、ヒータ付きプレートに電解質膜の周囲を押えて取り付け、電極インクを塗工する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３９０６２号公報
【特許文献２】特開２００７−５３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や特許文献２に記載の技術のように、電解質膜を面方向に変形しないように固定して電極インクを電解質膜に塗工・乾燥するだけでは、電解質膜に発生する皺を防止するには十分ではなかった。例えば、乾燥後に電解質膜の固定を直ちに解放すると、その後に皺が生じる場合があった。
【０００６】
これは、電極インクに含まれるアルコールが電解質膜を変性させるため、電極インクが塗工された部分が乾燥により収縮し易くなり、電極インクが塗工されていない部分との間に膨潤・収縮性の差が生じ、乾燥後の電解質膜が水分を吸収する際の電極インクの塗工部・非塗工部との間の内部応力に差が生じるためであると考えられる。
【０００７】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質膜に電極層を塗工してなる膜電極接合体に皺が発生するのを防止することができる燃料電池用膜電極接合体の製造方法及びその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、固体高分子の電解質膜に電極層を塗工してなる燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、電解質膜に溶媒としてアルコールを含む電極ペーストを塗工する塗工工程と、この塗工工程で電極ペーストが塗工された電解質膜を固定部材に固定して乾燥させる乾燥工程と、この乾燥工程で乾燥させた電解質膜を固定部材に固定しつつ電解質膜に水分を吸収させる吸湿工程を備えるものである。
【０００９】
また、前記吸湿工程では、前記電解質膜を加熱せず、雰囲気中の水分を前記電解質膜に吸収させることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、固体高分子の電解質膜に溶媒としてアルコールを含む電極ペーストを塗工して電極層を形成する燃料電池用膜電極接合体の製造装置であって、前記製造装置は、電解質膜に塗工された電極ペーストを乾燥させる乾燥部と、この乾燥部を経た電解質膜に水分を吸収させる吸湿部を備え、前記乾燥部は電極ペーストが塗工された電解質膜が変形しないように固定する一つ又は複数の第１固定手段と、この第１固定手段に固定された電解質膜を乾燥させる乾燥手段を備え、前記吸湿部は乾燥された電解質膜が変形しないように固定する第２固定手段を備えるものである。
【００１１】
前記乾燥手段は加熱乾燥炉であり、前記第１固定手段は平板の載置台の表面に電解質膜を固定する固定ステージであり、前記第２固定手段として前記第１固定手段を用い、前記第１固定手段を前記加熱乾燥炉から前記吸湿部へ移動させる移動手段を備えることができる。
【００１２】
また、前記乾燥手段は加熱乾燥炉であり、前記第１固定手段および前記第２固定手段は、側面に吸引孔を設け、この吸引孔から真空吸引して電解質膜を固定する固定ローラであり、前記第１固定手段の固定ローラは前記加熱乾燥炉内に設けられ、前記第２固定手段の固定ローラは前記加熱乾燥炉外の前記吸湿部に設けることができる。
【００１３】
また、前記第１固定手段および前記第２固定手段は、側面に吸引孔を設け、この吸引孔から真空吸引して電解質膜を固定する固定ローラであり、前記乾燥手段は、前記第１固定手段の固定ローラを加熱させることにより電解質膜を乾燥させ、前記第２固定手段の固定ローラは前記吸湿部を設けることができる。
【００１４】
更に、前記固定ローラの間に前記固定ローラより小径のローラを配設し、これらの小径のローラの中心は前記固定ローラの中心を通る直線上に位置することができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、面内方向に変形しないよう固定部材に電解質膜を固定して乾燥させた後、電解質膜を固定したまま電解質膜に水分を吸収させる工程を設けることにより、面内変形が抑制された状態で水分が吸収される。すると、電極ペーストの塗工部・非塗工部の膨潤・収縮性による内部応力の差は、電解質膜に水分が吸収されるに従い、減少していく。そこで、電解質膜の吸水量が所定量を超えた段階で電解質膜の固定を解放すると、その後の皺の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、電解質膜を加熱せず、雰囲気中の水分を電解質膜に吸収させたりすれば、強制的に水分を供給せず、電解質膜に自発的に水分を吸収させることにより、電解質の膨潤が均質になり、局所的な内部応力差の発生を抑制することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明によれば、電解質膜を固定した状態のまま、途中で固定を解放することなく電解質膜の乾燥・吸湿を行うことができるので、皺の発生を抑制することができる。
【００１８】
また、第１固定手段および第２固定手段を、側面に吸引孔を設け、この吸引孔から真空吸引して電解質膜を固定する固定ローラとしたり、固定ローラ自体が電解質膜を加熱する加熱ローラとしたりすれば、電解質膜を連続体の状態で製造することができ、製造効率を高めることができる。
【００１９】
更に、固定ローラの間に、固定ローラより小径のローラを配設し、これらの小径のローラの中心を固定ローラの中心を通る直線上に位置させて、小径のローラを介して固定ローラ間を電解質膜の連続体が通るようにすれば、固定ローラ間の電解質膜の連続体の非固定状態の部分を短くすることができ、電解質膜の皺の発生を一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第１実施の形態の概要説明図
【図２】小径のローラの作用説明図で、（ａ）は小径のローラを固定ローラの間に配設した場合、（ｂ）は小径のローラを配設しない場合
【図３】本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第２実施の形態の説明図で、（ａ）は固定ステージの説明図、（ｂ）は全体の説明図
【図４】本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第３実施の形態の概要説明図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第１実施の形態は、図１に示すように、電極ペースト（電極インク）１が塗工された電解質膜２が変形しないように固定すると共に電解質膜２を乾燥させる３つの第１固定ローラ３と、これらの第１固定ローラ３により送り出された電解質膜２が変形しないように固定すると共に電解質膜２に水分を吸収させる２つの第２固定ローラ４と、これらの固定ローラ３，４の間などに配設された６つの小径のローラ５などを備えてなる。
【００２２】
ここで、６は巻き出し用の電解質膜ロール、７は巻き取られた電解質膜ロール、８は電解質膜２に電極ペースト１を塗布するダイヘッド、９は第１固定ローラ３と同じ構造の塗工用ローラ、１０はガイドローラ、１１は電極ペースト１を電解質膜２に施したペースト塗工部である。
【００２３】
第１固定ローラ３と第２固定ローラ４は、その側面に吸引孔（不図示）が設けられ、この吸引孔から真空吸引して電解質膜２を吸引固定する。また、第１固定ローラ３は、ローラ自身が昇温する加熱ローラであり、固定している電解質膜２を乾燥させる。一方、第２固定ローラ４は、電解質膜２を吸引固定するものの、電解質膜２を加熱せず電解質膜２に水分を吸収させる。小径のローラ５は、固定ローラ３，４より小径で、その中心は固定ローラ３，４の中心を通る直線上に位置している。
【００２４】
電解質膜２は、プロトン伝導性を有する高分子よりなり、例えばデュポン社製のナフィオン（製品名）などのパーフルオロスルホン酸系高分子膜を用いることができる。電極ペースト１は、白金或いは白金と他の金属との合金などの触媒と、電解質膜２と同様のプロトン伝導性を有する高分子を混合し、水・アルコールなどの溶媒に分散させたものである。
【００２５】
アルコールとしては、エタノールやプロパノールが好適に用いられる。なお、電極ペースト１中には触媒と高分子の他、炭素繊維などの他の材料を加えることもできる。また、触媒としては、白金やその合金を炭素粒子に坦持させたものを用いることもできる。
【００２６】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第１実施の形態の作用及び燃料電池用膜電極接合体の製造方法について説明する。先ず、電解質膜ロール６から巻き出され、塗工用ローラ９に吸引固定された電解質膜２の一面に電極ペースト１をダイコータが備えるダイヘッド８により塗工する（塗工工程）。電解質膜２に塗工された電極ペースト１の塗工形状は、適宜決定することができるが、例えば方形形状とすることができる。
【００２７】
次いで、電極ペースト１中の溶媒成分を蒸発させ、電極層を形成するために電極ペースト１を塗工した電解質膜２を、３つの第１固定ローラ３に順次吸引固定した状態で加熱したローラにより乾燥させる（乾燥工程）。電解質膜２を第１固定ローラ３に吸引固定させることにより、電解質膜２の面内方向の変形が生じないようにすることができる。乾燥は、電解質膜２を例えば８０〜１２０℃に加熱することにより行われる。
【００２８】
次いで、３つの第１固定ローラ３で乾燥させた電解質膜２を、更に２つの第２固定ローラ４に順次吸引固定した状態で電解質膜２に水分を吸収させる（吸湿工程）。水分の電解質膜２への吸収は、常温環境下で放置することにより行う。なお、作業環境の湿度を３０％〜６０％に調整しておくことが好ましい。
【００２９】
このように作業環境湿度を調整することにより、水分の吸収条件を一定にすることができ、また作業環境湿度を６０％以下とすることで、急激な水分吸収を防止できるため、皺の防止効果を一層高めることができる。
【００３０】
次いで、このような状態で電解質膜２に水分を吸収させ、電解質膜２の吸水量が所定量を超えた時点（例えば、飽和吸水量の３０％以上になった時点）で、第２固定ローラ４による電解質膜２の固定を解放する。このように、電解質膜２の乾燥後、電解質膜２を直ちに固定から解放させることなく、固定した状態で水分を吸収させることにより皺の発生を抑制することができる。
【００３１】
なお、小径のローラ５は、図２（ａ）に示すように、第１固定ローラ３よりも小径で第１固定ローラ３の間に配設されている。更に、小径のローラ５の中心は、第１固定ローラ３の中心を通る直線１２上に位置している。小径のローラ５は、第１固定ローラ３と第２固定ローラ４の間及び第２固定ローラ４の間についても同様に配設されている。
【００３２】
このように、小径のローラ５を介して固定ローラ３間を電解質膜２の連続体が通るようにすれば、固定ローラ３間の電解質膜２の連続体の非固定状態の部分（渡りの部分）１３を短くすることができる。すると、図２（ｂ）に示すように、小径のローラ５を用いないために渡り部分１３が長くなる場合と比べて、電解質膜２の皺の発生を一層抑制することができる。
【００３３】
また、小径のローラ５を介して固定ローラ３間を電解質膜２の連続体が通るようにすれば、図２（ａ）に示すように、電極ペースト１が固定ローラ３と直接接触することがない。一方、小径のローラ５を用いない場合には、図２（ｂ）に示すように、電極ペースト１が接触面の大きい固定ローラ３と直接接触することになり、加熱された固定ローラ３によって電極ペースト１が乾燥され、固定ローラ３に付着してしまう虞がある。
【００３４】
次に、本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第２実施の形態は、図３に示すように、電解質膜２が変形しないように固定する固定ステージ２１と、固定ステージ２１に固定された状態で電極インク１が塗工された電解質膜２を乾燥させる加熱乾燥炉２２と、電解質膜２を固定した状態の固定ステージ２１を加熱乾燥炉２２内から加熱乾燥炉２２外の吸湿部２３へ移動させる移動手段２４などを備える。
【００３５】
固定ステージ２１は、図３（ａ）に示すように、電解質膜２を載置する平板の載置台２５と、載置台２５の表面２５ａに設けられ、電解質膜２をエア吸引するための複数の吸引孔２５ｂを備えてなる。移動手段２４としては、電解質膜２を固定した固定ステージ２１を載置して搬送するコンベアなどが用いられる。
【００３６】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第２実施の形態の作用について説明する。先ず、固定ステージ２１に固定された状態の電解質膜２に電極インク１を塗工する（塗工工程）。
【００３７】
次いで、電解質膜２を固定した状態の固定ステージ２１をコンベア２４により加熱乾燥炉２２に投入し、電極インク１が塗工された電解質膜２を乾燥させる（乾燥工程）。乾燥作業は、電極インク１中の溶媒成分を蒸発させ、電極層を形成するために電解質膜２を例えば８０〜１２０℃に加熱することにより行われる。
【００３８】
次いで、乾燥した電解質膜２を固定した状態の固定ステージ２１をコンベア２４により加熱乾燥炉２２内から加熱乾燥炉２２外の吸湿部２３へ移動させる。吸湿部２３では、水分の電解質膜２への吸収は、常温環境下で放置することにより行う（吸湿工程）。なお、作業環境の湿度を３０％〜６０％に調整しておくことが好ましい。
【００３９】
このように作業環境湿度を調整することにより、水分の吸収条件を一定にすることができ、また作業環境湿度を６０％以下とすることで、急激な水分吸収を防止できるため、皺の防止効果を一層高めることができる。
【００４０】
次いで、このような状態で電解質膜２に水分を吸収させ、電解質膜２の吸水量が飽和吸水量の３０％以上になった時点で、固定ステージ２１による電解質膜２の固定を解放する。
【００４１】
次に、本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第３実施の形態は、図４に示すように、電極ペースト（電極インク）１が塗工された電解質膜２が変形しないように固定する３つの第１固定ローラ３０を加熱乾燥炉３１内に配置し、この加熱乾燥炉３１より送り出された電解質膜２が変形しないように固定すると共に電解質膜２に水分を吸収させる２つの第２固定ローラ３２を吸湿部３３に配置している。
【００４２】
第１固定ローラ３０と第２固定ローラ３２の側面には、吸引孔（不図示）が設けられ、この吸引孔から真空吸引して電解質膜２を吸引固定する。その他の構成は、図１に示す第１実施の形態の構成と同様である。
【００４３】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造装置の第３実施の形態の作用について説明する。先ず、電解質膜ロール６から巻き出され、塗工用ローラ９に吸引固定された電解質膜２の一面に電極ペースト１をダイコータが備えるダイヘッド８により塗工する（塗工工程）。電解質膜２に塗工された電極ペースト１の塗工形状は、適宜決定することができるが、例えば方形形状とすることができる。
【００４４】
次いで、電極ペースト１中の溶媒成分を蒸発させ、電極層を形成するために電極ペースト１を塗工した電解質膜２を、加熱乾燥炉３１内に配置した３つの第１固定ローラ３０に順次吸引固定した状態で加熱し乾燥させる（乾燥工程）。電解質膜２を第１固定ローラ３０に吸引固定させることにより、電解質膜２の面内方向の変形が生じないようにすることができる。乾燥は、電解質膜２を例えば８０〜１２０℃に加熱することにより行われる。
【００４５】
次いで、加熱乾燥炉３１で乾燥させた電解質膜２を、更に吸湿部３３に配置した２つの第２固定ローラ３２に順次吸引固定した状態で電解質膜２に水分を吸収させる（吸湿工程）。水分の電解質膜２への吸収は、常温環境下で放置することにより行う。なお、作業環境の湿度を３０％〜６０％に調整しておくことが好ましい。
【００４６】
このように作業環境湿度を調整することにより、水分の吸収条件を一定にすることができ、また作業環境湿度を６０％以下とすることで、急激な水分吸収を防止できるため、皺の防止効果を一層高めることができる。
【００４７】
次いで、このような状態で電解質膜２に水分を吸収させ、電解質膜２の吸水量が所定量を超えた時点（例えば、飽和吸水量の３０％以上になった時点）で、第２固定ローラ３２による電解質膜２の固定を解放する。このように、電解質膜２の乾燥後、電解質膜２を直ちに固定から解放させることなく、固定した状態で水分を吸収させることにより皺の発生を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、電解質膜を固定した状態のまま、途中で固定を解放することなく電解質膜の乾燥・吸湿を行うことができるので、皺の発生が抑制される燃料電池用膜電極接合体の製造方法及びその装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…電極ペースト（電極インク）、２…電解質膜、３，３０…第１固定ローラ、４，３２…第２固定ローラ、５…小径のローラ、６…巻き出し用の電解質膜ロール、７…巻き取られた電解質膜ロール、８…ダイヘッド、９…塗工用ローラ、１１…ペースト塗工部、１２…直線、２１…固定ステージ２１、２２，３１…加熱乾燥炉、２３，３３…吸湿部、２４…コンベア（移動手段）、２５…載置台、２５ａ…表面、２５ｂ…吸引孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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