(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の固体高分子電解質膜と触媒層が表面に形成された触媒層担持基材とを挟圧して該固体高分子電解質膜の表面に該触媒層を転写する一対の加熱加圧ロールを有し、一対の前記加熱加圧ロールの少なくとも一方は、ロール状の本体部と該本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有する転写部付き加熱加圧ロールである触媒層転写用ロールプレス装置において、
前記転写部付き加熱加圧ロールは、前記転写部に作用する押圧力により前記転写部が弾性的に変位することによって前記転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段を有し、
前記防止手段を前記転写部付き加熱加圧ロールの前記ロール状の本体部と前記凸状の転写部と他方の加熱加圧ロールとの間に少なくとも一つ設けていることを特徴とする触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項２】
前記防止手段は、前記本体部と前記転写部との間に介在する弾性体である請求項１記載の触媒層転写装置。
【請求項３】
前記弾性体は、ゴムである請求項２載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項４】
前記防止手段は、前記本体部と前記転写部との間に介在するばねである請求項１記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項５】
前記防止手段は、前記本体部と前記転写部との間に介在するエアシリンダである請求項１記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項６】
前記転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とした請求項２〜５記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項７】
前記転写部付き加熱加圧ロールの相手方となる加熱加圧ロールは、ロール状の本体部と該本体部の外周面を被覆した弾性体からなる被覆部とを有する請求項２〜６記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項８】
前記弾性体は、ゴムである請求項７記載の触媒転写用ロールプレス装置。
【請求項９】
前記転写部は、前記本体部の外周面に形成された凸状の基盤と該基盤の表面を被覆する弾性体からなる表面層とを有し、前記防止手段は該表面層として被覆された該弾性体である請求項１記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項１０】
前記弾性体はゴムである請求項９記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項１１】
燃料電池の固体高分子電解質膜と触媒層が表面に形成された触媒層担持基材とを挟圧して該固体高分子電解質膜の表面に該触媒層を転写する一対の加熱加圧ロールを有する触媒層転写用ロールプレス装置において、
一対の前記加熱加圧ロールは共にロール状の本体部と該本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有し、一方の前記加熱加圧ロールの該転写部と他方の前記加熱加圧ロールの該転写部は一対の前記加熱加圧ロールによって挟圧される前記固体高分子電解質膜を対称面として面対称であることを特徴とする触媒層転写用ロールプレス装置。
【請求項１２】
前記転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とした請求項１１記載の触媒層転写用ロールプレス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒層転写用ロールプレス装置に関する。更に詳しくは、固体高分子電解質膜型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜に触媒層を転写するロールプレス装置である。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜と触媒層とを接合して触媒層−電解質膜接合体を形成する手法として、特開２０００−９０９４４号公報に記載されているように、「インク状あるいはペースト状の触媒混合物を沈降法・印刷法・スプレー法などの方法で触媒層形成基体上に塗布して、均一な触媒層を形成した後、これと電解質膜とを加熱圧接することで、触媒層と電解質膜とを一体に接合する転写法が考案されている」（特開２０００−９０９４４号公報、（２）頁）。この場合ホットプレス（熱間プレス）あるいはホットロール（加熱加圧ロール）を用いて固体高分子電解質膜と予め触媒層担持基材の上に形成した触媒層と加熱加圧して一体的に接合することが行われる。
【０００３】
例えば特開平１０−６４５７４号公報には、ホットプレス（熱間プレス）を用いる手法及びホットロール（加熱加圧ロール）を用いる手法がいずれも開示されている。この公報に開示されているホットロールを用いる手法は、図１に示すように、長尺の固体高分子電解質膜８１とその両側に配された触媒層８２、８３を担持した長尺の触媒層担持基材としてのフィルム８４、８５とを一緒に一対の加熱加圧ロール８６で挟んで加熱加圧することによって、固体高分子電解質膜８１と触媒層８２、８３とを一体的に接合して、その後触媒層８２、８３を担持しているフィルム８４、８５を一対の剥離ロール８７を用いて触媒層８２、８３から剥離するという手法である。この公報にはホットプレスを用いて固体高分子電解質膜に触媒層担持基材上に形成された触媒層を転写する手法も開示されているが、ホットロールを用いて転写する手法の方が固体高分子電解質膜への触媒層の転写が連続的に行えるので、ホットプレスを用いて転写する手法よりも生産的であると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ただこのように触媒層を固体高分子電解質膜に転写する場合において、触媒層担持基材上に形成された触媒層を全て固体高分子電解質膜に転写して接合するのではなく、触媒層担持基材状に形成された触媒層の所定の部分を固体高分子電解質膜に転写したい場合がある。
【０００５】
これは、図２に示すように、固体高分子電解質膜Ａの表面の全て触媒層Ｂで覆うのではなく、固体高分子電解質膜Ａの縁端部を残して触媒層Ｂで覆った触媒層−電解質膜接合体Ｃ、言い換えれば固体高分子電解質膜Ａの方が触媒層Ｂよりも面積が広く、固体高分子電解質膜Ａが触媒層Ｂからはみ出した触媒層−電解質膜接合体Ｃを作製するためである。
【０００６】
このように触媒層Ｂを固体高分子電解質膜Ａよりも表面積を小さくすることによって、触媒層Ｂによって覆われていない縁端部にはフッ素樹脂例えばポリテトラフルオロエチレン等から成るスペーサそしてスペーサの上には電気的絶縁体としてシリコンゴム等を積層して燃料ガス及び酸素ガス等が漏れないように触媒層からシールすることができる。その結果触媒層−電解質膜接合体を両側から挟むように配置されているアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間で電気的な短絡が生じないようにすることができる。
【０００７】
このように固体高分子電解質膜に所定の形状の触媒層を転写する場合に用いる加熱加圧ロールについて、本出願人は特開２００１−１９６０７０号公報に開示している。この加熱加圧ロール８８は、図３に示すように、加熱加圧ロール８８の外周面に所定の形状を有する凸状の転写部８８ａを彫刻したロールである。このような凸状の転写部８８ａを彫刻した加熱加圧ロール８８を用いて触媒層を担持したフィルムと固体高分子電解質膜とを加熱加圧すると、触媒層と固体高分子電解質膜に対する加熱と加圧は、この凸状の転写部８８ａの部分に作用し、この凸状の転写部８８ａ以外の部分には作用しない。従ってこの転写部８８ａの部分に相当する触媒層の部分が固体高分子電解質膜と接合し一体化することになる。そしてこの転写部以外の部分に相当する触媒層の部分は転写部８８ａの部分に相当する触媒層の部分からフィルムと共に剥離されることになる。このように固体高分子電解質膜に転写部８８ａの形状に合わせた触媒層を転写することができる。
【０００８】
しかし、このように加熱加圧ロールの外周面に凸状の転写部を設けて、転写部の形状に合わせた触媒層の部分を固体高分子電解質膜に転写しようとすると次のような問題が発生することが明らかになった。
【０００９】
一方の加熱加圧ロールを外周面に凸状の転写部を設けた転写部付き加熱加圧ロールとする一対の加熱加圧ロールを備えるロールプレス装置を用いて、固体高分子電解質膜に触媒層を転写する場合には、図４に示すように、この凸状の転写部９０ａを設けた転写部付き加熱加圧ロール９０と凸状の転写部を設けていない通常の加熱加圧ロール９１とによって触媒層９２を表面に形成した触媒層担持基材９３と固体高分子電解質膜９４とを一緒に挟んで加熱加圧して、触媒層９２を固体高分子電解質膜９４に転写する。この場合どちらか一方の加熱加圧ロール９０にエアシリンダ９５を取り付けて、２つの加熱加圧ロール９０、９１で荷重する圧力と２つの加熱加圧ロール９０、９１間のクリアランスとを調整制御して、固体高分子電解質膜９４及び表面に触媒層９２を形成した触媒層担持基材９３とを挟圧する。そしてこの一対の加熱加圧ロールをモータ等の駆動手段（図示しない）を用いて回転させて、固体高分子電解質膜９４に触媒層９２を連続的に転写する。図４に示す一対の加熱加圧ロール９０、９１の例では、転写部付き加熱加圧ロール９０の方にエアシリンダ９５を取り付けて、転写のための圧力を制御している。
【００１０】
このようにして転写部付き加熱加圧ロール９０と通常の加熱加圧ロール９１とを用いて触媒層９２を固体高分子電解質膜９４に転写しようとすると、転写部付き加熱加圧ロール９０が有する凸状の転写部９０ａ相互の間に位置する溝部分即ち凹状部分９０ｂに、相手方の通常の加熱加圧ロール９１によって押圧された触媒層９２、触媒層担持基材９３、及び固体高分子電解質膜９４等は押し込まれて、歪み若干入り込むような形になる。
【００１１】
そして一対の加熱加圧ロール９０、９１は回転しながら、順次触媒層９２を担持した触媒層担持基材９３と固体高分子電解質膜９４とを順次挟圧して触媒層９２を連続的に固体高分子電解質膜９４に転写することから、図５に示すように、凸状の転写物９０ａの間に位置する溝部分即ち凹状部分９０ｂの側に押し込まれて歪み若干入り込んだ触媒層９２、触媒層担持基材９３、固体高分子電解質膜９４等は凸状の転写部９０ａの端部即ちエッジに当たり、挟圧されている固体高分子電解質膜９４や触媒層９２に過大な押圧力が加わることになる。その結果固体高分子電解質膜９４や触媒層９２にダメージが生じるという問題が発生した。
【００１２】
またこのように一方の加熱加圧ロールの外周面に凸状の転写部を設けて、触媒層を固体高分子電解質膜に転写する場合には、相手方の加熱加圧ロールについては加圧面即ち外周面の表面をゴムで被覆したゴム被覆加熱加圧ロールとを用いることが一般的である。このように一方の加熱加圧ロールの外周面にゴム被覆を施するのは、加熱加圧ロールやワークの面精度を吸収して転写部の表面に加えられる面圧を均一にし、転写不良を防止するためである。
【００１３】
このように転写部付き加熱加圧ロールとゴム被覆加熱加圧ロールとを回転させながら固体高分子電解質膜と触媒層を担持した触媒層担持基材とを加熱加圧して固体高分子電解質膜に転写部の形状に合わせた触媒層を転写しようとすると、先に述べたゴム被覆がされていない通常の加熱加圧ロールを用いた場合によりも過大な押圧力が凸状の転写部の端部に加わり易くなる。
【００１４】
即ち転写部付き加熱加圧ロールの相手方がゴム被覆加熱加圧ロールの場合には、凸状の転写部に間に位置する溝部分即ち凹状部分に相手方のゴム被覆加熱加圧ロールの外周面の表面に被覆されたゴムが押圧力によって変形して食い込むことになる。そのため加熱加圧ロールの回転によってゴム被覆加熱加圧ロールに向かい合う位置に来る転写部の端部に対して変形したゴムによって過大な押圧力が加えられることになる。その結果、この転写部の端部と変形したゴムとの間に挟まれた固体高分子電解質膜及び触媒層の部分が過剰に圧縮、変形して、この部分の固体高分子電解質膜及び触媒層にダメージが生ずるという問題が生ずることになる。
【００１５】
そこで、本発明の目的とするところは、転写部を有する加熱加圧ロールを用いて触媒層を転写部の形状に固体高分子電解質膜に転写する触媒層転写用ロールプレス装置において、固体高分子電解質膜へのダメージを低減することができる触媒層転写用ロールプレス装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
（１）固体高分子電解質膜へのダメージは、上述したように、転写部付き加熱加圧ロールの凸状の転写部と凸状転写部との間の凹状部分に向けて、相手方の加熱加圧ロールによって固体高分子電解質膜や触媒層を表面に形成した触媒層担持基材が押し込まれ、そして相手方の加熱加圧ロールが加熱加圧ロールの回転によって凸状の転写部の端部（エッジ）に過大な押圧力が作用して、その結果凹状部分の方向に押し込まれた固体高分子電解質膜や触媒層に過大な圧力が作用することで発生する。
【００１７】
（２）第１発明（請求項１〜請求項１０）
本発明者は、この場合に、転写部付き加熱加圧ロールの転写部が弾性的に変位するように設定することで、相手方加熱加圧ロールからの過大な押圧力が転写部の端部にそのまま作用することを防止することができると考えた。
【００１８】
そして、本発明者は、第１発明として、燃料電池の固体高分子電解質膜と触媒層が表面に形成された触媒層担持基材とを挟圧して固体高分子電解質膜の表面に触媒層を転写する一対の加熱加圧ロールを有し、一対の加熱加圧ロールの少なくとも一方は、ロール状の本体部とこの本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有する転写部付き加熱加圧ロールである触媒層転写用ロールプレス装置において、転写部付き加熱加圧ロールは、転写部に作用する押圧力により転写部が弾性的に変位することによって転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段を有し、防止手段を転写部付き加熱加圧ロールのロール状の本体部と凸状の転写部と他方の加熱加圧ロールとの間に少なくとも一つ設けていることを特徴とする触媒層転写用ロールプレス装置を発明した。
【００１９】
即ちこの転写部に作用する押圧力によって転写部が弾性的に変位するようにすれば、転写部に過大な押圧力が作用することを防止することができる。その結果転写部の存在による固体高分子電解質膜へのダメージの発生を低減することができる。
【００２０】
この場合転写部が弾性的に変位するようにする防止手段として、相手方の加熱加圧ロールからの押圧力を受けて、転写部自体は特に変形することなく転写部全体が弾性的に変位するようにする手法と、転写部が変形して転写部の表面が弾性的に変位するようにする手法とが考えられる。
【００２１】
始めに転写部全体が弾性的に変位する手法を用いた防止手段を説明する。
【００２２】
この防止手段は、本体部と転写部との間に介在された弾性体とすることができる。この場合において、弾性体は、高弾性率の観点からゴムを用いることが好ましい。加熱加圧ロールのロール状の本体部と転写部の間にゴム等の弾性体を介在させた場合には、転写部に対して相手方の加熱加圧ロールから押圧力が加えられるとこの弾性体が弾性的に変形し即ち圧縮されて、転写部自体は加熱加圧ロールの中心方向に弾性的に変位して、転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止することができる。
【００２３】
またこの防止手段は、本体部と転写部と間に介在されたばねとすることができる。加熱加圧ロールのロール状の本体部と転写部の間にばねを介在させた場合には、転写部に対して相手方の加熱加圧ロールから押圧力が加えられるとこのばねが圧縮されて転写部自体は加熱加圧ロールの中心方向に弾性的に変位して、転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止することができる。
【００２４】
同様にこの防止手段は、本体部と転写部との間に介在されたエアシリンダとすることができる。この場合も転写部に対して相手方の加熱加圧ロールから押圧力が加えられるとこのエアシリンダが圧縮されて転写部自体は加熱加圧ロールの中心方向に弾性的に変位して、転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止することができる。
【００２５】
このように防止手段を本体部と転写部との間に介在された弾性体、ばね、エアシリンダとした場合には、転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とすることが好ましい。このように転写部の端部の形状をテーパー面又はＲ形状とすることで、転写部の端部に作用する押圧力が一気に端部に作用するのではなく、徐々に端部に作用するようにすることができる。その結果転写部に局所的に過大な押圧力が作用することをより効果的に防止することができ、その結果固体高分子電解質膜や触媒層にダメージが発生することをより低減することができる。
【００２６】
ここで「転写部の端部をテーパー面とする」とは、凸状の転写部と凸状の転写部との間の溝部分即ち凹状部分を区画する溝区画面を半径方向に対して角度をもたせて、転写部の溝区画面と転写部の転写面即ち表面との角度を直角より大きくすることをいう。また「転写部の端部をＲ形状とする」とは、転写部の転写面と溝区画面とによって構成される角部分を丸くしてＲ形状とすることをいう。
【００２７】
なお転写部付き加熱加圧ロールの相手方となる加熱加圧ロールは、ロール状の本体部とこの本体部の外周面を覆うゴム被覆部とを有する形態とすることができる。
【００２８】
また防止手段を本体部と転写部との間に介在された弾性体、ばね、エアシリンダとした場合には、転写部付き加熱加圧ロールの相手方の加熱加圧ロールはロール状の本体部とこの本体部の外周面を被覆した弾性体からなる被覆部とを有する形態とすることが好ましい。この場合弾性体としては、高弾性率の観点からゴムを用いることが好ましい。このように転写部付き加熱加圧ロールの相手方の加熱加圧ロールの外周面に弾性体からなる被覆を施すことで、転写部に対して均一に圧力を加えることができ、転写不良を防止することができる。
【００２９】
次に転写部が変形して転写部の表面が弾性的に変位するようにする手法を用いた防止手段を説明する。
【００３０】
転写部が変形することで転写部の表面が弾性的に変位するようにする手法は、具体的には、転写部の表面に弾性体を被覆して、この弾性体が押圧力によって変形することで実現することができる。
【００３１】
即ち転写部付き加熱加圧ロールの転写部が本体部の外周面に形成された凸状の基盤と基盤の表面を被覆する弾性体からなる表面層とを有するようにして、防止手段は表面層として被覆された弾性体とすることができる。
【００３２】
転写部の表面層を弾性体とすることで、相手方の加熱加圧ロールから押圧力が転写部に加えられると、この弾性体が弾性的に変形して転写部の表面が変位する。その結果転写部の表面特に転写部の端部に過大な押圧力が作用することを防止することができる。従って過大な押圧力が作用することで固体高分子電解質膜にダメージが発生するという事態を低減することができる。この場合弾性体としては高弾性率の観点からゴムを用いることが好ましい。
【００３３】
このように転写部に表面層を設けた場合には転写部付き加熱加圧ロールに対向する加熱加圧ロールは、ゴム被覆を有しない通常の加熱加圧ロールとすることも、表面がゴム被覆で覆われた形態とすることもできる。
【００３４】
なおこの場合には、転写部付き加熱加圧ロールに対向する加熱加熱ロールはゴム被覆を有しない形態とする方が好ましい。両方共にゴム被覆を施すより、一方のみにゴム被覆を施した方が固体高分子電解質膜に転写する触媒層の形状をシャープにすることができる。
【００３５】
このように本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、転写部付き加熱加圧ロールの転写部が相手方の加熱加圧ロールからの押圧力で弾性的に変位することで、転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止することができ、その結果触媒層が転写される固体高分子電解質膜へのダメージの発生を低減することができる。
【００３６】
（３）第２発明（請求項１１〜請求項１２）
また本発明者は、凸状の転写部の端部（エッジ）に過大に押圧力が作用するのは、転写部と転写部との間の溝部分即ち凹状部分においても相手方の加熱加圧ロールからワーク即ち固体高分子電解質膜及び触媒層を表面に形成した触媒層担持基材に押圧力が加えられており、この凹状部分においても加えられていた押圧力が加熱加圧ロールの回転によって、転写部の端部においてそのまま作用するからだと考えた。従って、転写部間の凹状部分において固体高分子電解質膜及び触媒層担持基材とに加熱加圧ロールから押圧力が加えられないようにすればよいと考えた。
【００３７】
そして、本発明者は、第２発明として、燃料電池の固体高分子電解質膜と触媒層が表面に形成された触媒層担持基材とを挟圧して固体高分子電解質膜の表面に触媒層を転写する一対の加熱加圧ロールを有する触媒層転写用ロールプレス装置において、一対の加熱加圧ロールは共にロール状の本体部と本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有し、一方の加熱加圧ロールの転写部と他方の加熱加圧ロールの転写部は一対の加熱加圧ロールによって挟圧される固体高分子電解質膜を対称面として面対称であることを特徴とする触媒層転写用ロールプレス装置を発明した。
【００３８】
このように一対の加熱加圧ロールの両方に、加熱加圧ロールで挟圧される固体高分子電解質膜を対称面として面対称となる転写部を設けて、この一対の加熱加圧ロールの転写部同士が対応するように一対の加熱加圧ロールを同期して回転させることによって、転写部と転写部との間に位置する溝部分即ち凹状部分において固体高分子電解質膜と触媒層を表面に形成した触媒層担持基材とが一対の加熱加圧ロールによって挟圧されることがないようにすることができる。従って転写部間の凹状部分においては加熱加圧ロールから固体高分子電解質膜及び触媒層を担持した触媒層担持基材とに押圧力が加えられることがなく、転写部の端部において固体高分子電解質膜及び触媒層を担持した触媒層担持基材とに過大に押圧力が作用するということを避けることができる。その結果固体高分子電解質膜や触媒層にダメージが発生することを低減することができる。
【００３９】
なおこの場合において、転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とすることが好ましい。このように転写部の端部の形状をテーパー面又はＲ形状とすることで、転写部の端部において押圧力が一気に作用するのではなく、徐々に端部に作用するようにすることができる。その結果転写部に局所的に過大な押圧力が作用することをより防止することができ、その結果固体高分子電解質膜や触媒層にダメージが発生することをより低減することができる。
【００４０】
このように本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、転写部と転写部との間に位置する凹状部分において、固体高分子電解質膜や触媒層に押圧力が加わらないので、一対の加熱加圧ロールの回転により対向する一対の転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止することができ、その結果触媒層が転写される固体高分子電解質膜へのダメージの発生を低減することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の触媒層転写用ロールプレス装置の実施の形態を説明する。
【００４２】
（１）始めに本発明の触媒層転写用ロールプレス装置の構成について説明する。
【００４３】
本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置及び第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置のいずれにおいても、燃料電池の固体高分子電解質膜（以下「電解質膜」と適宜略す）と触媒層が表面に形成された触媒層担持基材とを挟圧してこの電解質膜の表面に触媒層を転写する一対の加熱加圧ロールを有する触媒層転写用ロールプレス装置である。そして第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置においては、一対の加熱加圧ロールの少なくとも一方がロール状の本体部とこの本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有する転写部付き加熱加圧ロールであり、第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置においては、一対の加熱加圧ロールの両者が転写部付き加熱加圧ロールである。
【００４４】
本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、一対の加熱加圧ロールの構成に特徴があることを除けば、一対の加熱加圧ロールを用いて電解質膜に触媒層を転写する触媒層転写用ロールプレス装置の通常の構成を用いて実現することができる。即ち一対の加熱加圧ロールの他に、加熱加圧ロールを加熱するヒータ等の加熱装置、更に一対の加熱加圧ロールの間に圧力を作用させるエアシリンダ等の加圧装置、加熱加圧ロールを回転させるモータ等の駆動手段等を用いて構成することができる。
【００４５】
つまり本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、第１発明及び第２発明のいずれにおいても、一対の加熱加圧ロールに特徴があり、他の部分の構成については、基本的に一対の加熱加圧ロールを用いた通常の触媒層転写用ロールプレス装置と同一の構成にして実現することができる。
【００４６】
（２）そこで次に第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いることができる一対の加熱加圧ロールの形態について説明する。
【００４７】
第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いる一対の加熱加圧ロールは、一対の加熱加圧ロールの少なくとも一方は、ロール状の本体部と、この本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有する転写部付き加熱加圧ロールであって、この転写部付き加熱加圧ロールは、転写部に作用する押圧力により該転写部が弾性的に変位することによって該転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段とを有している。
【００４８】
なおこの一対の加熱加圧ロールについて、一方を転写部付き加熱加圧ロールとし、他方を他方を凸状の転写部を有しない通常の加熱加圧ロールを用いた形態とすることができる。また一方を転写部付き加熱加圧ロールとし、他方をロール状の本体部とこの本体部の外周面に覆うゴム被覆部とを有する加熱加圧ロールとすることができる。更に、いずれも転写部付き加熱加圧ロールとすることもできる。この場合には、一対の加熱加圧ロールの各転写部は、一対の加熱加圧ロールで挟圧される電解質膜を対称面として面対称となるように構成することができる。
【００４９】
▲１▼転写部の表面を弾性的に変形させることで転写部を変位させて転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段として、転写部付き加熱加圧ロールの凸状の転写部を本体部の外周面に形成された凸状の基盤とこの基盤の表面を被覆する弾性体からなる表面層とを有するようにした場合における表面層として被覆された弾性体を挙げることができる。
【００５０】
この場合弾性体として、ゴム、高弾性の合成樹脂、熱可塑性エラストマー等を用いることができる。
【００５１】
例えばゴムとしては、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などを用いることができる。また高弾性の合成樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、セルロース樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂等の弾性の大きいものを用いることができる。更に各種熱可塑性エラストマーを用いることができる。この場合急激な圧力上昇を防止するという観点から、ゴムを用いることが好ましい。
【００５２】
この場合に弾性体からなる表面層の厚さは、使用する弾性体の種類によって適切な厚さに設定することができるが、概ね０．１〜１０ｍｍとすることができ、好ましくは０．５〜５ｍｍとすることができる。
【００５３】
ここで一方が凸状の転写部１００ａの表面層１００ａａとして転写部１００ａの凸状の基盤１００ａｂの表面に被覆された弾性体を有する転写部付き加熱加圧ロール９０であり、他方が通常の加熱加圧ロール１０１である一対の加熱加圧ロールを図６に示す。なお以下図６、図７、図８、図９及び図１０における符号については、同種の部材については、同一の符号を用いた。
【００５４】
この転写部付き加熱加圧ロール１００の転写部１００ａを凸状の基盤１００ａｂとこの基盤１００ａｂの表面を被覆する弾性体からなる表面層１００ａａとで構成する形態においては、ロール状の本体部１００ｂとその表面に形成される凸状の基盤１００ａｂとを形成し、この基盤１００ａｂの表面に弾性体を被覆して表面層１００ａａを形成することで転写部付き加熱加圧ロール１００を作製することができる。
【００５５】
この場合ロール状の本体部と凸状の基盤とは通常の加熱加圧ロールを彫刻することで一体的に成形することができる。このようにロール状の本体部と凸状の基盤とを一体的に成形する場合には、例えばＪＩＳ規格Ｇ４０５１ Ｓ４５Ｃ（以下「Ｓ４５Ｃ」と略す）の炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものを材料としてを用いることができる。
【００５６】
また予め凸状の基盤となるようなプレートを用意してそのプレートの表面に弾性体を被覆して表面層を形成してから、この表面層を形成したプレートをロール状の本体部に接着することもできる。この場合には本体部を上述のＳ４５Ｃの炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものを材料として用い、凸状の基盤となるプレートも同様にＳ４５Ｃの炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものを材料として用い、ロール状の本体部と向かい合う面を本体部の形状と対応させた形状にして作製することができる。
【００５７】
▲２▼転写部自体を弾性的に変位させることによって、転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段として、ロール状の本体部と凸状の転写部との間に介在された弾性体、ばね、エアシリンダ等を挙げることができる。
【００５８】
ここでロール状の本体部１００ｂと凸状の転写部１００ａとこれらの間に介在された弾性体１００ｃとを有する転写部付き加熱加圧ロール１００を図７に示す。図７に示した加熱加圧ロール１００は、本体部１００ｂと転写部１００ａとの間に介在された弾性体１００ｃが本体部１００ｂの外周面全域に亘って被覆し、この本体部１００ｂの外周面を全域に亘って被覆した弾性体１００ｃの表面に凸状の転写部１００ａが形成されるという構成で作製されている。この場合転写部１００ａと本体部１００ｂとの間に弾性体１００ｃが介在しているので、転写部１００ａは、ロール状の本体部１００ｂの外周面に適合した形状を有する凸状のプレートによって構成することができる。この場合には、ロール状の本体部１００ｂの外周面を被覆した弾性体１００ｃの表面に凸状のプレートを接着して凸状の転写部１００ａを形成することができる。
【００５９】
ここで用いる弾性体としては、先に述べた転写部の表面層として用いられた弾性体と同様に、ゴム、高弾性の合成樹脂、熱可塑性エラストマー等を用いることができる。
【００６０】
即ち例えばゴムとしてはニトリルゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などを用いることができる。また高弾性の合成樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、セルロース樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂等の弾性の大きいものを用いることができる。更に各種熱可塑性エラストマーを用いることができる。なお急激な圧力上昇の観点から、ゴムを用いることが好ましい。
【００６１】
この場合においてロール状の本体部の外周面を被覆した弾性体の厚さは、使用する弾性体の種類に応じて、適切に設定することができるが、概ね０．５〜２０ｍｍとすることができ、好ましくは２〜５ｍｍとすることができる。
【００６２】
弾性体を本体部と転写部との間に介在させる転写部付き加熱加圧ロールは、図７で示した形態の他に、転写部と本体部との間にだけ弾性体を介在させるという形態とすることもできる。即ち特に本体部の外周面を全域に亘って弾性体を被覆しなくても、転写部に対応する本体部の外周面に弾性体を被覆する形態とすることができる。
【００６３】
またロール状の本体部１００ｂと凸状の転写部１００ａとこれらの間に介在されたばね１００ｄとを有する加熱加圧ロールを図８に示す。この図８に示した加熱加圧ロールにおいては、本体部１００ｂと転写部１００ａとの間に空隙を設けておき、この本体部１００ｂと転写部１００ａとの間に介在されたばね１００ｄによって転写部１００ａ自体が半径方向に弾性的に変位することができるように構成されている。即ち本体部１００ｂと転写部１００ａとの間の介在するばね１００ｄが圧縮する場合に転写部１００ａもばね１００ｄの圧縮によって転写部付き加熱加圧ロール１００の半径方向を中心に向かって変位するように設定されている。
【００６４】
ばねとしては、コイルばね、板ばね、皿ばね等のばねを用いることができる。この場合コイルばねを用いることが好ましい。コイルばねは、組み付け性、ストロークに優れ、荷重コントロールを容易に行うことができる。
【００６５】
この場合転写部は、本体部との間においてばねを介在させた状態において、ロール状の本体部の外周面に適合した形状を有する凸状のプレートを用いて構成することができる。従ってこの場合において、転写部と本体部との間にばねが介在した状態で、転写部と本体部との結合が行われることになる。このようにばねを用いる場合には、加熱下でばね特性が変化しないようにすることが好ましい。
【００６６】
なおこの図８で示された転写部付き加熱加圧ロールにおいて、ばねの部分はエアシリンダとすることも可能である。エアシリンダとして場合も本体部と転写部とに間に空隙を設けておき、この本体部と転写部との間に介在されたエアシリンダによって転写部自体が転写部付き加熱加圧ロールの半径方向に弾性的に変位することができるように構成されている。即ち本体部と転写部との間の介在するエアシリンダが圧縮する場合に転写部もこの圧縮によって転写部付き加熱加圧ロールの半径方向を中心に向かって変位するように設定されている。
【００６７】
この場合も転写部は、本体部との間でエアシリンダを介在させた状態でロール状の本体部の外周面に適合した形状を有する凸状のプレートを用いて構成することができる。この場合において、転写部と本体部との結合は、エアシリンダが介在して行われることになる。
【００６８】
なおこの場合の転写部付き加熱加圧ロールの本体部は通常の加熱加圧ロールを構成するのに用いることができる材料を用いて構成することができる。例えばＳ４５Ｃの炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものを用いることができる。また凸状の転写部に用いられる凸状のプレートについてもＳ４５Ｃの炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものを用いることができる。
【００６９】
これらの場合凸状のプレートを用いた転写部と本体部とは、以下のように結合させることができる。図９に凸状の転写部１００ａとロール状の本体部１００ｂとの間にばね１００ｄを介在させた転写部付き加熱加圧ロール１００を軸方向で切断したときの一部断面図を示す。この転写部付き加熱加圧ロール１００の転写部１００ａの両側の端面には、転写部付き加熱加圧ロール１００の軸方向に延びる挿入用ピン１００ｆが取り付けられている。そして本体部１００ｂの両側の端面にはそれぞれ円盤状板体１００ｇがボルト１００ｉによって固定されている。そしてこの円盤状板体１００ｇには挿入孔１００ｈが設けられ、挿入用ピン１００ｆが挿入されるようになっている。この挿入孔１００ｈは、転写部付き加熱加圧ロール１００の半径方向に一定の長さを有しており、挿入用ピン１００ｆはその挿入孔１００ｈの半径方向の長さの範囲内で転写部付き加熱加圧ロール１００の半径方向に移動できるようになっている。そして挿入用ピン１００ｆは、転写部付き加熱加圧ロールの周方向については固定されている。
【００７０】
このように転写部１００ａの端面に取り付けられた挿入用ピン１００ｆが本体部１００ｂに取り付けられた円盤状板体１００ｇの挿入孔１００ｈに挿入されることで、転写部１００ａを半径方向に移動可能な状態で本体部１００ｂと結合することができる。凸状の転写部１００ａが押圧されると、この挿入用ピン１００ｆが半径方向に移動できる範囲内で転写部１００ａが半径方向に変位することができる。
【００７１】
なおここでは、ばね１００ｄを介在させた場合を例にして説明したが、ばねでなくても、エアシリンダを介在させた場合でもこのように結合することができる。更にはゴム等の弾性体を介在させた場合でもこのように結合することが可能である。
【００７２】
このように一対の加熱加圧ロールの一方の加熱加圧ロールを本体部と転写部とこれらの間に介在された弾性体、ばね又はエアシリンダとを有する形態とした場合においては、転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とすることが好ましい。転写部の端部をテーパー面とした場合には転写部の溝区画面と転写部の転写面即ち表面との角度を転写面と溝区画面との角度は１００〜１５０度とすることが好ましい。
【００７３】
また転写部の端部をＲ形状とした場合にはＲ形状の半径は概ね０．２〜１ｍｍとすることが好ましい。
【００７４】
また一対の加熱加圧ロールの一方の転写部付き加熱加圧ロールを本体部と転写部とこれらの間に介在された弾性体、ばね又はエアシリンダとを有する形態とした場合には、他方の加熱加圧ロールは、図１０に示すように、ロール状の本体部１０２ａとこの本体部の外周面に被覆された弾性体からなる被覆部１０２ｂとを有する弾性体被覆部付き加熱加圧ロール１０２とすることが好ましい。この場合弾性体からなる被覆部１０２ｂの厚さは、弾性体の種類に応じて適切な厚さとすることができるが、概ね０．５〜２０ｍｍとすることができ、好ましくは２〜５ｍｍとすることができる。
【００７５】
このように相手方の加熱加圧ロールの外周面を弾性体とすることで、転写の際に加熱加圧ロールの転写部の面精度のばらつきを吸収して、電解質膜及びその両側に位置する表面に触媒層を担持した触媒担持基材に均一に圧力を付与することができる。その結果、転写不良を防止することができる。
【００７６】
この場合においても、弾性体は、先に述べた転写部に表面に被覆する弾性体と同様のものを用いることができる。即ちゴム、高弾性の合成樹脂、熱可塑性エラストマー等を用いることができる。ゴムとしては、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などを用いることができる。また高弾性の合成樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、セルロース樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂等の弾性の大きいものを用いることができる。更に熱可塑性エラストマーとしては、各種熱可塑性エラストマーを用いることができる。なお急激な圧力上昇を防止するという観点から、ゴムを用いることが好ましい。
【００７７】
なお加熱加圧ロールの直径は特に限定はなく、加熱加圧ロールを加熱する加熱装置、更に一対の加熱加圧ロールの間に圧力を作用させるエアシリンダ等の圧力装置、加熱加圧ロールを回転させるモータ等の駆動手段等の能力を考慮して適切な大きさに設定することができる。
【００７８】
転写部付き加熱加圧ロールについては特に限定はなく、適切な大きさに設定することができるが、ロール状の本体部の直径はφ２００〜３００ｍｍ程度に設定し、転写部を含めた場合の直径はφ３００〜５００ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００７９】
（３）更に第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いることができる一対の加熱加圧ロールの形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００８０】
第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いる一対の加熱加圧ロールは、共にロール状の本体部とこの本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有し、一方の加熱加圧ロールの転写部と他方の加熱加圧ロールの転写部とは、一対の加熱加圧ロールで挟圧される電解質膜を対称面として面対称であることを特徴とする。
【００８１】
ここでこの一対の加熱加圧ロール１１０、１１１を図１１に示す。この一対の加熱加圧ロール１１０、１１１は、ロール状の本体部１１０ｂ、１１１ｂとこの本体部１１０ｂ、１１１ｂの外周面に形成された凸状の転写部１１０ａ、１１１ａを有し、一方の加熱加圧ロール１１０の転写部１１０ａと他方の加熱加圧ロール１１１の転写部１１１ａは一対の加熱加圧ロール１１０、１１１で挟圧される電解質膜（図示しない）を対称面として面対称であるので、一対の加熱加圧ロール１１０、１１１の凹状部分１１０ｅ、１１１ｅにおいては、挟圧される電解質膜に押圧力は働かない。
【００８２】
この第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いる加熱加圧ロールは、例えばＳ４５Ｃの炭素鋼にＨＣｒメッキを施したものからなる加熱加圧ロールを用いて、転写したい触媒層の形状にあわせて外周面の表面を彫刻して、転写部を形成することで、ロール状の本体部と凸状の転写部とを一体的に成形することができる。
【００８３】
なお加熱加圧ロールの直径は特に限定はなく、加熱加圧ロールを加熱する加熱装置、更に一対の加熱加圧ロールの間に圧力を作用させるエアシリンダ等の圧力装置、加熱加圧ロールを回転させるモータ等の駆動手段等の能力を考慮して適切な大きさに設定することができる。概ね加熱加圧ロールの直径はφ３００〜５００ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００８４】
なおこの場合において、転写部の端部をテーパー面又はＲ形状とすることが好ましい。転写部の端部をテーパー面とした場合には転写部の溝区画面と転写部の転写面即ち表面との角度を転写面と溝区画面との角度は１００〜１５０度とすることが好ましい。
【００８５】
また転写部の端部をＲ形状とした場合にはＲ形状の半径は概ね０．１〜１ｍｍとすることが好ましい。
【００８６】
（４）実施例
ここで一方の加熱加圧ロールをロール状の本体部と転写部と本体部と転写部との間に介在されたばねとを有する加熱加圧ロールとし、他方の加熱加圧ロールをロール状の本体部とこの本体部の外周面に被覆されたゴムからなる被覆部とを有する加熱加圧ロールとした一対の加熱加圧ロールを用いた触媒層転写用ロールプレス装置を用いて、電解質膜に触媒層を転写した実施例を説明する。
【００８７】
触媒層の電解質膜への転写は、通常の場合と同様に、電解質膜を中心に配置して、その両側にアノード触媒層を表面に形成したシート及びカソード触媒層を表面に形成したシートを積層して、触媒層を担持した２つのシートとその間の電解質膜とを合わせて一対の加熱加圧ロールで挟んで加熱加圧した。
【００８８】
この実施例では、一対の加熱加圧ロール間に作用させる圧力はエアシリンダを用いて制御し、転写面圧が３ＭＰａとなるようにした。更に転写部と本体部との間に介在するばねの荷重が最大で、４ＭＰａを超えないように設定した。一対の加熱加圧ロールの温度は、棒ヒータを用いて１２０℃に設定した。
【００８９】
また加熱加圧ロールの送り速度は、駆動モータを用いて１ｍ／分とした。
【００９０】
このような条件で、アノード及びカソード触媒層を電解質膜に転写するときの面圧挙動をロードセルで計測した。なおこのとき感圧紙を用いて面当たりを確認しながら計測した。
【００９１】
また比較例として、ばね等の防止手段を備えていない通常の転写部付き加熱加圧ロールとロール状の本体部とこの本体部の外周面に被覆されたゴムからなる被覆部とを有する加熱加圧ロールとした一対の加熱加圧ロールを備えた触媒層転写用ロールプレス装置を用いて電解質膜に触媒層を転写した。この比較例では「ばねの荷重が最大で、４ＭＰａを超えないように設定した」という条件を除いて、同一の条件で行った。
【００９２】
比較例では転写面圧が１ＭＰａから５ＭＰａの間を推移して、従って転写面圧のばらつきが概ね±２ＭＰａ程度と大きく、特に転写部の端部辺りでばらつきが顕著であった。
【００９３】
これに対して実施例では転写面圧が３ＭＰａと４ＭＰａの間を推移し、従って転写面圧のばらつきが±０．５ＭＰａ程度と小さく押えることができた。その結果電解質膜との転写不良、密着性不良、過大面圧による電解質膜のダメージが抑制され、良好な触媒層−電解質膜接合体の製作が可能となった。
【００９４】
（５）次に触媒層転写用ロールプレス装置を触媒層を電解質膜に転写する転写工程に用いて、触媒層−電解質膜接合体を作製する工程を説明する。
【００９５】
▲１▼触媒層−電解質膜接合体を作製する工程の概略
この触媒層−電解質膜接合体を作製する工程の概略を模式的に図１２に示す。この工程は、触媒層転写用ロールプレス装置を用いて触媒層−電解質膜接合体を作製する場合の一般的な工程から成っており、本発明の触媒層転写用ロールプレス装置は、このような一般的な工程に組み込んで使用することができる。
【００９６】
従ってここで示す工程で用いることができる触媒層転写用ロールプレス装置の一対の加熱加圧ロールは、第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置において用いられる一対の加熱加圧ロールを用いることも、第２発明の触媒層転写ロールプレス装置において用いられる一対の加熱加圧ロールを用いることもできる。なお図１２では触媒層転写用ロールプレス装置が有する一対の加熱加圧ロールのみを図示し、他の構成要素、部材、例えば、加圧装置、加熱装置、駆動手段等は図示を省略した。
【００９７】
この触媒層−電解質膜接合体を作製する工程は、触媒層転写用ロールプレス装置を用いて電解質膜に触媒層を転写する転写工程の前工程として、触媒層担持基材の表面に触媒層を塗工して触媒層担持基材の表面に触媒層を形成し担持させる担持工程と触媒層担持基材の表面に形成された触媒層を乾燥する乾燥工程とを有している。また触媒層転写工程の後工程として、電解質膜に転写された触媒層を触媒層担持基材から剥離する剥離工程を有している。
【００９８】
▲２▼担持工程
担持工程は、アノード触媒層ＡＮを表面に担持するアノード用シートＡＳ、このアノード用シートＡＳを巻き出すアノード用シート巻き出しロール２０、カソード触媒層ＣＴを表面に担持するカソード用シートＣＳ、このカソード用シートＣＳを巻き出すカソード用シート巻き出しロール３０、またアノード用シートＡＳの表面にアノード触媒層ＡＮを塗工するアノード触媒層塗工装置２５及びカソード用シートＣＳの表面にカソード触媒層ＣＴを塗工するカソード触媒層塗工装置３５、更にアノード用シート巻き出しロール２０からアノード触媒層塗工装置２５にアノード用シートＡＳを送り出すアノード用シート第１送り出しロール２１とアノード用シート第３送り出しロール２３及びカソード用シート巻き出しロール３０からカソード触媒層塗工装置３５にカソード用シートＣＳを送り出すカソード用シート第１送り出しロール３１とカソード用シート第３送り出しロール３３等を用いて実行することができる。
【００９９】
なおアノード用シートＡＳがアノード触媒層ＡＮを担持する触媒層担持基材であり、カソード用シートＣＳがカソード触媒層ＣＴを担持する触媒層担持基材である。これらアノード用シートＡＳ、カソード用シートＣＳとしては、後述する触媒混合物に接触しても溶解したり反応したりすることがなく、また後述の乾燥工程での温度、転写工程での温度に耐える耐熱性のある材料からなるシートを用いることができる。例えばポリテトラフルオロエチレン(四フッ化樹脂)等のフッ素樹脂フィルム、また  ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等を用いることができる。
【０１００】
担持工程が実行される様子を説明する。アノード用シートＡＳとカソード用シートＣＳはそれぞれアノード用シート巻き出しロール２０及びカソード用シート巻き出しロール３０に巻かれている。そしてこのアノード用シート巻き出しロール２０及びカソード用シート巻き出しロール３０から巻き出されたアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳは、それぞれアノード用シート第１送り出しロール２１とアノード用第３送り出しロール２３及びカソード用シート第１送り出しロール３１とカソード用第３送り出しロール３３によってアノード触媒層塗工装置２５及びカソード触媒層塗工装置３５に送り出される。
【０１０１】
そしてアノード触媒層塗工装置２５によってアノード用シートＡＳの表面にアノード触媒層を塗工し、カソード触媒層塗工装置３５によってカソード用シートＣＳの表面にカソード触媒層を塗工する。このようにしてアノード用シートＡＳの表面にアノード触媒層を形成し、カソード用シートＣＳの表面にカソード触媒層用触媒層を形成する。
【０１０２】
これらの触媒層の塗工は、触媒層塗工装置２５、３５として、例えばダイコータを用いて連続的に塗工することができる。またスプレー法によって触媒層を形成することもできる。
【０１０３】
また触媒層として塗工される触媒インク即ち触媒混合物は、適切に選択することができる。この触媒混合物はインク状であって、エタノールやイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等のアルコール、水等の溶媒に、白金その他の白金属金属或いはそれらの合金等の触媒金属を担持したカーボン粉末、更にフッ素系イオン交換樹脂からなる電解質溶液等を添加し、攪拌したものを用いることができる。また触媒層の厚み、また触媒の含有量も適切に選択することができる。
【０１０４】
▲３▼乾燥工程
乾燥工程は、アノード触媒層ＡＮが表面に塗工されたアノード用シートＡＳを平坦に延ばす位置に設置されたアノード用シート第３送り出しロール２３、カソード触媒層ＣＴが表面に塗工されたカソード用シートＣＳを平坦に延ばす位置に設置されたカソード用シート第３送り出しロール３３、平坦に延ばされたアノード用シートＡＳの表面に担持されたアノード触媒層ＡＮを乾燥させる温風乾燥機（図示しない）及び平坦に延ばされたカソード用シートＣＳの表面に担持されたカソード触媒層ＣＴを乾燥させる温風乾燥機（図示しない）等を用いて実行することができる。なお乾燥工程が行われる箇所を図１２においてＨで示した。
【０１０５】
乾燥工程が実行される様子を説明する。アノード触媒層ＡＮを表面に塗工したアノード用シートＡＳ及びカソード触媒層ＣＴを表面に塗工したカソード用シートＣＳは、それぞれアノード用シート第３送り出しロール２３及びカソード用シート第３送り出しロール３３に向かってアノード塗工装置４０及びカソード塗工装置５０から送り出される。
【０１０６】
そしてアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳがアノード用シート第３送り出しロール２３及びカソード用シート第３送り出しロール３３に至る過程においてそれぞれ温風乾燥機によってアノード触媒層ＡＳ及びカソード触媒層ＣＳを乾燥することができる。
【０１０７】
ここで用いる乾燥機は温風ヒータでもスチームヒータでもいずれも適切なものを用いることができる。
【０１０８】
ここでの温度は、触媒混合物に用いられる溶媒の種類によって適切な温度を設定することができる。この場合通常溶媒としては、水またはアルコール系のものを用いるので、概ね９０〜１５０℃とすることができる。この場合、段階的に温度を高くして乾燥することが好ましい。
【０１０９】
そして表面に担持したアノード触媒層ＡＮを乾燥させたアノード用シートＡＳ及び表面に担持したカソード触媒層ＣＴを乾燥させたカソード用シートＣＳは、それぞれアノード用シート第３送り出しロール２３及びカソード用シート第３送り出しロール３３によって次の工程に送り出される。
【０１１０】
▲４▼転写工程
転写工程は、電解質膜ＭＥを巻いた電解質膜巻き出しロール１０、電解質膜巻き出しロール１０に巻かれた電解質膜ＭＥを送り出す電解質膜第１送り出しロール１１、送り出された電解質膜ＭＥの両側に乾燥工程においてそれぞれの表面に担持した触媒層を乾燥させたアノード用シート及びカソード用シートを重ね合わせる一対の積層用ロール４０、一対の加熱加圧ロール５０、５１を有する触媒層転写用ロールプレス装置等を用いて実行することができる。なお触媒層転写用ロールプレス装置の他の部材、例えば、加熱装置、加圧装置、駆動手段等は図示を省略した。
【０１１１】
転写工程が実行される様子を説明する。電解質膜ＭＥは、電解質膜巻き出しロール１０に巻かれている。電解質膜巻き出しロール１０に巻かれた電解質膜ＭＥは、電解質膜第１送り出しロール１１によって電解質膜巻き出しロール１０から巻き出される。そしてこの巻き出された電解質膜ＭＥの両側に、アノード用シート第３送り出しロール２３から送り出されたアノード用シートＡＳ及びカソード用シート第３送り出しロール３３から送り出されたカソード用シートＣＳが一対の積層用ロール４０によって積層される。
【０１１２】
なお電解質膜ＭＥは、市販されている商品を用いることも、予め公知の方法、例えば押出法、キャスティング等の方法で製造しておくことができる。通常市販されている商品としては、デュポン社の商品名ナフィオン膜、ジャパンゴアテック社の商品名ゴアセレクト膜を用いることができる。なお電解質膜ＭＥの厚さは概ね３０〜５０μｍのものを用いた。
【０１１３】
この一対の積層用ロール４０によって、積層された電解質膜ＭＥ、アノード触媒層ＡＮを表面担持したアノード用シートＡＳ及びカソード触媒層ＣＴを表面に担持したカソード用シートＣＳは、本発明の触媒層転写用ロールプレス装置の一対の加熱加圧ロール５０、５１によって加熱加圧されて、アノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴが電解質膜ＭＥに転写される。この場合一対の加熱加圧ロールの一方は転写部５０ａを有する転写部付き加熱加圧ロール５０であり、他方は表面が弾性体からなる被覆部５１ａを有する弾性体被覆部付き加熱加圧ロール５１であり、この転写部５０ａの形状に対応した形状でアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴが電解質膜ＭＥに転写される。
【０１１４】
この場合、一対の加熱加圧ロール５０、５１の温度は、ヒータ、油温調整装置等の加熱装置（図示しない）を用いて、電解質膜ＭＥ、触媒層等の材質に適合した温度に設定することができる。この場合通常、電解質膜ＭＥの種類によって軟化温度が異なり、電解質膜ＭＥのガラス転移点温度付近の温度で電解質膜ＭＥを軟化させて接合することになる。概ね８０〜１３０℃程度とすることができる。また一対の加熱加圧ロール５０、５１の間に作用させる圧力は、エアシリンダ等の加圧装置（図示しない）を用いて、概ね１〜１０ＭＰａとすることができ、好ましくは概ね２〜５ＭＰａとすることができる。
【０１１５】
また一対の加熱加圧ロール５０、５１の送り速度は、モータ等の駆動手段（図示しない）を用いて、概ね０．５〜１０ｍ／分とすることができ、好ましくは概ね１〜５ｍ／分とすることができる。
【０１１６】
なお図１２においては、第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置に用いることができる一対の加熱加圧ロール５０、５１であって、一方が転写部付き加熱加圧ロール５０で、他方が弾性体からなる被覆部を表面に有する弾性体被覆部付き加熱加圧ロール５１を図示した。即ち一方の加熱加圧ロールは、転写部付き加熱加圧ロール５０であって、転写部に作用する押圧力により転写部が弾性的に変位することによって転写部に局所的に過大な押圧力が作用することを防止する防止手段（特に図示しない）を有する加熱加圧ロールである。
【０１１７】
この場合、防止手段は、上述したように、転写部の表面層として被覆された弾性体であっても、加熱加圧ロールの本体部と転写部との間に介在したばねであっても、弾性体であっても、エアシリンダであってもよい。
【０１１８】
なお図１２において、第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置で用いられる一対の加熱加圧ロールを図示したが、この転写工程で用いられる触媒層転写用ロールプレス装置の一対の加熱加圧ロールは、第１発明の触媒層転写用ロールプレス装置で用いられる一対の加熱加圧ロールに限定されない。第２発明の触媒層転写用ロールプレス装置で用いられる一対の加熱加圧ロールを用いることもできる。
【０１１９】
▲５▼剥離工程
剥離工程は、電解質膜ＭＥに転写されたアノード触媒層ＡＮからアノード用シートＡＳを剥離し、電解質膜ＭＥに転写されたカソード触媒層ＣＴからカソード用シートＣＳを剥離するアノード用シート剥離装置２６及びカソード用シート剥離装置３６、転写されたアノード触媒層ＡＮが剥離されたアノード用シートＡＳを巻き取るアノード用シート巻き取りロール２４、転写されたカソード触媒層ＣＴが剥離されたカソード用シートＣＳを巻き取るカソード用シート巻き取りロール３４、電解質膜ＭＥにアノード触媒媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴが転写されて形成された触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを巻き取る接合体巻き取りロール１３、接合体巻き取りロール１３に触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを送り出す接合体送り出しロール１２等を用いて実行することができる。なおシート剥離装置２６、３６としては押さえ板を用いた。
【０１２０】
以下剥離工程が実行される様子を説明する。転写工程において、一対の加熱加圧ロール５０、５１を用いて電解質膜ＭＥの両側にアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴとが転写部の形状で転写される。そしてアノード触媒層ＡＮとカソード触媒層ＣＴが転写された電解質膜ＭＥからその両側に積層されているアノード用シートＣＳとカソード用シートＡＳをアノード用シート剥離装置２６及びカソード用シート剥離装置３６を用いてそれぞれ剥離して、触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡが形成される。
【０１２１】
この場合転写部５０ａの形状で電解質膜ＭＥに転写されたアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴは、それぞれアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳから剥離して電解質膜ＭＥの側に残されて、触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡが形成される。また電解質膜ＭＥに転写されなかったアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴはアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳの表面に担持された状態で残される。
【０１２２】
そして触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡは、接合体送り出しロール１２によって送り出されて接合体巻き取りロール１３に巻き取られる。またアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳは、アノード用シート巻き取りロール２４及びカソード用シート巻き取りロール３４に巻き取られる。
【０１２３】
このようにして電解質膜ＭＥに触媒層ＡＮ、ＣＴを転写した触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを製造することができる。
【０１２４】
（６）なお本発明の触媒層転写用ロールプレス装置を用いることができる触媒層−電解質膜接合体を作製する工程は、（５）において説明した工程に限定されるものではない。
【０１２５】
例えば、アノード触媒層とカソード触媒層の電解質膜への転写は、上述の例では、同時に行われているが、別々の工程で行うことができる。この場合には、転写工程は、２回行われることになる。
【０１２６】
また上述した触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを作製する工程では、転写工程の前の乾燥工程で、アノード用シートＡＳの表面に形成されたアノード触媒層ＡＮ及びカソード用シートＣＳの表面に形成されたカソード触媒層ＣＴは、塗工された触媒層混合物を乾燥させて触媒層混合物中の溶媒を除去することが一般的である。従って転写工程でアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴは乾燥した状態で電解質膜ＭＥに転写される。そして剥離工程でアノード用シート及びカソード用シートを剥離した後、触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡはそのまま接合体巻き取りロール１３に巻き取られる。
【０１２７】
しかしこのようにして触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを形成すると、以下のような問題が発生する。即ちアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴを完全に乾燥した状態で加熱加圧して電解質膜に転写するので、アノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴと電解質膜ＭＥとの密着性が不十分であったり、またアノード触媒層ＡＮやカソード触媒層ＣＴが加熱加圧によって塑性変形して潰れてしまい、３次元構造が崩れ、ガス拡散性が阻害されて触媒反応活性が低下するという問題が生じた。
【０１２８】
そこで乾燥工程において、触媒混合物中の溶媒を完全に除去しないまま、いわば予備乾燥の状態にしておいて、アノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴを電解質膜の転写することができる。
【０１２９】
この場合、アノード用シートＡＳ、カソード用シートＣＳに担持される触媒混合物に用いられ、触媒金属を担持したカーボン粉末等の触媒担持粉末等を分散させる溶媒として、水よりも沸点が高くかつパーフルオロスルホン酸樹脂等の電解質樹脂と相溶性がよいプロピレングリコール、エチレングリコール、プロパノール等の高沸点溶媒を用いることができる。
【０１３０】
このような構成の触媒混合物をアノード用シート、カソード用シートに塗工して触媒層ＡＮ、ＣＴを形成することで、溶媒を残留させた状態で電解質膜ＭＥに触媒層ＡＮ、ＣＴを転写することができる。
【０１３１】
この場合▲３▼で説明した乾燥工程は、溶媒を一部残留させるために、触媒層ＡＮ、ＣＴの予備乾燥工程として、通常の温風乾燥よりは、スチーム乾燥とすることが好ましい。この場合温度は、（５）で説明した乾燥工程の温度よりは低く、概ね８０〜１３０℃とすることができる。このようにすることで、アノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴの発熱や電解質膜ＭＥのドライアップを防止することができる。
【０１３２】
そしてこのように高沸点溶媒を一部残留させた状態で電解質膜ＭＥにアノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴを転写することができる。この場合高沸点溶媒が一部残留した状態で転写が行われることから、一対の加熱加圧ロール５０、５１の間に作用させる圧力は通常より低い圧力に設定して転写を行うことができる。例えば１〜５ＭＰａ程度の圧力に設定することができる。また一対の加熱加圧ロール５０、５１の温度も通常より低い温度に設定して転写することができる。例えば６０〜１２０℃程度の温度に設定することができる。
【０１３３】
このように溶媒が一部残留した状態で加熱加圧して電解質膜にアノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴを転写するので、電解質膜ＭＥとアノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴとの密着性を向上することができ、アノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴの気孔率を確保することができる。
【０１３４】
また高沸点溶媒を一部残留させた状態でアノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴを電解質膜ＭＥに転写した場合には、剥離工程において、更に触媒層中の溶媒を完全に除去する本乾燥工程を設けることができる。即ちアノード用シートＡＳ及びカソード用シートＣＳを電解質膜ＭＥに転写されたアノード触媒層ＡＮ及びカソード触媒層ＣＴから剥離して、触媒層−電解質膜接合体ＭＥＡを形成した後に、本乾燥工程を設けて、アノード及びカソード触媒層ＡＮ、ＣＴに残留している高沸点溶媒を乾燥除去することができる。この場合この本乾燥工程の温度は、概ね１００〜１５０℃とすることが好ましい。
【０１３５】
このようにアノード及びカソード触媒層を電解質膜に転写してから、高沸点溶媒を乾燥除去するので、アノード及びカソード触媒層の気孔率及び３次元構造を確保することができる。
【０１３６】
以上のように本発明の触媒層転写用ロールプレス装置を用いることによって、電解質膜にダメージを与えることなく、転写部の形状に合わせた触媒層を電解質膜に連続的に転写することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一対の加熱加圧ロールを用いて、触媒層を電解質膜に転写する様子を示した図である。
【図２】固体高分子電解質膜の面積を触媒層の面積よりも広くして触媒層−電解質膜接合体を示す図である。
【図３】転写部付き加熱加圧ロールを示した図である。
【図４】転写部付き加熱加圧ロールと転写部を有しない加熱加圧ロールを用いて固体高分子電解質膜に触媒層を転写する様子を示した図である。
【図５】加熱加圧ロールの凹状部分で触媒層、触媒層担持基材、固体高分子電解質膜等が歪む様子を示した図である。
【図６】転写部の表面層として転写部の凸状の基盤の表面に被覆された弾性体を有する転写部付き加熱加圧ロールと通常の加熱加圧ロールとからなる一対の加熱加圧ロール示した図である。
【図７】ロール状の本体部と凸状の転写部とこれらの間に介在された弾性体とを有する転写部付き加熱加圧ロールを示した図である。
【図８】ロール状の本体部と凸状の転写部とこれらの間に介在されたばねとを有する加熱加圧ロールを示した図である。
【図９】ばねを介在した状態で、転写部と本体部とを結合した転写部付き加熱加圧ロールの一部断面図である。
【図１０】ロール状の本体部とこの本体部の外周面に被覆された弾性体からなる被覆部とを有する弾性体被覆部付きロールを示した図である。
【図１１】ロール状の本体部とこの本体部の外周面に形成された凸状の転写部とを有し、一方の加熱加圧ロールの転写部と他方の加熱加圧ロールの転写部とは、この一対の加熱加圧ロールで挟圧される電解質膜を対称面として面対称である一対の加熱加圧ロールを示した図である。
【図１２】触媒層−電解質膜接合体を作製する工程の概略を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１００：転写部付き加熱加圧ロール
１００ａ：凸状の転写部
１００ａａ：表面層
１００ａｂ：凸状の基盤
１００ｂ：ロール状の本体部
１００ｃ：弾性体
１００ｄ：ばね
１００ｆ：挿入用ピン
１００ｇ：円盤状板体
１００ｈ：挿入孔
１００ｉ：ボルト
１０１：通常の加熱加圧ロール
１０２：弾性体被覆部付き加熱加圧ロール
１１０：転写部付き加熱加圧ロール
１１０ａ：凸状の転写部
１１０ｂ：ロール状の本体部
１１０ｅ：凹状部分
１１１：転写部付き加熱加圧ロール
１１１ａ：凸状の転写部
１１１ｂ：ロール状の本体部
１１１ｅ：凹状部分
ＡＮ：アノード触媒層
ＡＳ：アノード用シート
ＣＴ：カソード触媒層
ＣＳ：カソード用シート
ＭＥ：電解質膜
ＭＥＡ：触媒層−電解質膜接合体
１０：電解質膜巻き出しロール
１１：電解質膜第１送り出しロール
１２：接合体送り出しロール
１３：接合体巻き取りロール
２０：アノード用シート巻き出しロール
２１：アノード用シート第１送り出しロール
２２：アノード用シート第２送り出しロール
２３：アノード用シート第３送り出しロール
２４：アノード用シート巻き取りロール
２５：アノード触媒層塗工装置
２６：アノード用シート剥離装置
３０：カソード用シート巻き出しロール
３１：カソード用シート第１送り出しロール
３２：カソード用シート第２送り出しロール
３３：カソード用シート第３送り出しロール
３４：カソード用シート巻き取りロール
３５：カソード触媒層塗工装置
３６：カソード用シート剥離装置
４０：一対の積層用ロール
５０：転写部付き加熱加圧ロール
５０ａ：転写部
５１：弾性体被覆部付き加熱加圧ロール
５１ａ：被覆部
【図１】
0004078583.tif 000002
【図２】
0004078583.tif 000003
【図３】
0004078583.tif 000004
【図４】
0004078583.tif 000005
【図５】
0004078583.tif 000006
【図６】
0004078583.tif 000007
【図７】
0004078583.tif 000008
【図８】
0004078583.tif 000009
【図９】
0004078583.tif 000010
【図１０】
0004078583.tif 000011
【図１１】
0004078583.tif 000012
【図１２】
0004078583.tif 000013