JP2007258022A - 膜電極接合体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な生産効率および作業性を有する膜電極接合体の製造装置および製造方法を提供する。
【解決手段】 電解質膜２０が配置される第１支持治具１２０、第１支持治具に配置された電解質膜の表面に、触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布装置１６２，１６３，１６５，１６６，１６８、および、電解質膜に形成されたインクの塗布層２８を乾燥して触媒層を形成するための乾燥手段を有する。第１支持治具は、塗布装置に対して着脱自在である。
【選択図】図１２

Description

本発明は、膜電極接合体の製造装置および製造方法に関する。

燃料電池の膜電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜、および触媒層を有する。触媒層は、支持治具に配置された電解質膜に、触媒成分を含有するインクを塗布し、乾燥することによって、形成される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３１９１３９号公報

しかし、支持治具およびインクの塗布装置とは、一体化されており、インクの塗布層の乾燥工程が律速となり、生産効率を向上させることが困難である。また、作業エリアが限定されるため、支持治具の洗浄やメンテナンスおよび支持治具に対する電解質膜の位置合せが難しく、作業性に問題を有する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な生産効率および作業性を有する膜電極接合体の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
電解質膜が配置される第１支持治具、
前記第１支持治具に配置された前記電解質膜の表面に、触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布手段、および、
前記インクの塗布層を乾燥して触媒層を形成するための乾燥手段を有し、
前記第１支持治具は、前記塗布手段に対して着脱自在である
ことを特徴とする膜電極接合体の製造装置である。

上記目的を達成するための請求項２１に記載の発明は、
電解質膜を第１支持治具に配置するための配置工程、
触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布手段に、前記電解質膜が配置された前記第１支持治具を取付けるための取付け工程、
前記電解質膜の表面に、前記塗布手段によって前記インクを塗布するための塗布工程、
前記インクの塗布後、前記塗布手段から前記第１支持治具を取外すための取外し工程、および、
前記インクの塗布層を、乾燥手段によって乾燥し、触媒層を形成するための乾燥工程
を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法である。

上記のように構成した本発明は、以下の効果を奏する。

請求項１に記載の発明によれば、インクの塗布後、塗布装置から第１支持治具を取外し、別途、電解質膜に形成されたインクの塗布層を乾燥することが可能であり、乾燥手段によるインクの塗布層の乾燥が律速とならないため、生産効率を向上させることが容易である。また、第１支持治具は、塗布装置から分離した状態においては、洗浄やメンテナンスおよび電解質膜の位置合せも、容易に実行することができる。つまり、良好な生産効率および作業性を有する膜電極接合体の製造装置を提供することができる。

請求項２１に記載の発明によれば、インクの塗布後、第１支持治具の取外し工程を経由して、乾燥工程が配置されており、別途、電解質膜に形成されたインクの塗布層が乾燥されるため、乾燥工程は律速とならず、生産効率を向上させることが容易である。また、第１支持治具は、塗布装置から分離した状態においては、洗浄やメンテナンスおよび電解質膜の位置合せも、容易に実行することができる。つまり、良好な生産効率および作業性を有する膜電極接合体の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、実施の形態１に係る膜電極接合体を説明するための断面図である。

実施の形態１に係る燃料電池の膜電極接合体１０は、電解質膜２０および触媒層３０，４０を有し、その両面には、セパレータ５０，６０が配置される。セパレータ５０，６０は、触媒層３０，４０に燃料ガスおよび酸化ガスを供給するための流路を有する。

電解質膜２０は、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呈する。

触媒層３０，４０は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでおり、アノード触媒層およびカソード触媒層を構成する。電極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。

アノード触媒層に適用される触媒成分は、燃料ガス（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。カソード触媒層に適用される触媒成分は、酸化ガス（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。

電極触媒の高分子電解質は、良好な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。

なお、膜電極接合体１０は、必要に応じ、ガス拡散層を有する。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトから形成される。

次に、実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置を説明する。

図２および図３は、第１支持治具を説明するための断面図および平面図、図４は、塗布装置を説明するための断面図、図５は、乾燥装置を説明するための断面図である。

実施の形態１に係る燃料電池の膜電極接合体の製造装置は、概して、第１支持治具１２０、塗布装置（塗布手段）１６０および乾燥装置（乾燥手段）１８０を有する。第１支持治具１２０は、電解質膜２０が配置され、また、塗布装置１６０に対して着脱自在である。塗布装置１６０は、第１支持治具１２０に配置された電解質膜２０の表面に、触媒成分を含有するインクを塗布するために使用される。乾燥装置１８０は、電解質膜２０に形成されたインク塗布層２８を、乾燥して触媒層３０を形成するために使用される。

したがって、インクの塗布後、塗布装置１６０から第１支持治具１２０を取外し、別途、電解質膜２０に形成されたインク塗布層２８を乾燥することが可能である。そのため、乾燥装置１８０によるインク塗布層２８の乾燥が律速とならず、生産効率を向上させることが容易である。また、第１支持治具１２０は、塗布装置１６０から分離した状態においては、洗浄やメンテナンスおよび電解質膜の位置合せも、容易に実行することが可能である。

支持治具、塗布装置および乾燥装置を、詳述する。

第１支持治具１２０は、電解質膜２０が配置される支持面１２２、支持面１２２に配置される開口部１２４、および、開口部１２４と連通しているポート１２８を有する。開口部１２４は、金属プレートを機械加工することで形成されている。開口部１２４は、例えば、金属メッシュ構造体や焼結金属を利用することで、形成することが可能である。

ポート１２８は、開閉自在のコック（バルブ手段）１３０を有し、かつ外部の吸引ポンプ（負圧発生手段）に連結された配管系に着脱自在である。したがって、第１支持治具１２０の支持面１２２は、吸引ポンプが発生させた負圧によって、電解質膜２０を吸着固定することが可能である。吸着固定においては、電解質膜２０の着脱が容易であるため、着脱の際における電解質膜２０の破損を抑制することが可能であり、好ましい。

開口部１２４は、複数設けることで、電解質膜２０における吸収痕および皺の発生や、触媒層３０のクラックの発生を抑制している。これは、結果的に、燃料電池セルの組み立てを容易にし、かつ接触抵抗の低減、電極面圧の均一をもたらし、セル性能および耐久性を向上させることを可能とする。

塗布装置１６０は、収容スペース１６２、スプレーノズル１６３、ヒータ（２次予備加熱手段）１６５、吸引ポンプ１６６およびマスキング材（不図示）を有する。収容スペース１６２は、第１支持治具１２０が着脱自在に配置される。スプレーノズル１６３は、触媒成分を含有するインクを電解質膜２０に塗布するために使用され、駆動装置（不図示）が連結されている。

ヒータ１６５は、収容スペース１６２の下方に配置される抵抗発熱体からなる。マスキング材は、インクの塗布が不要な部位、例えば、膜電極接合体１０とセパレータ５０，６０との間における密閉性を確保するためのシールが配置される部位である電解質膜２０の外縁を、カバーする形状を有する。

インクの溶媒は、例えば、水や、エタノールなどの低級アルコールを主成分とする。また、溶媒成分として、グリコール、塩化メチレン、脂肪酸エステル等を利用することも可能である。塗布は、スプレー方式に限定されず、ダイコーターやスクリーンコーターなどの他の方式を適用することも可能である。

ヒータ１６５は、第１支持治具１２０および電解質膜２０を予備加熱することで、インクの塗布の際における第１支持治具１２０および電解質膜２０の温度低下を抑制し、かつ乾燥装置１８０の負荷を低減するために使用される。インクが常温乾燥タイプである場合は、ヒータ１６５を適宜省略することも可能である。

吸引ポンプ１６６は、配管系１６８を介し、収容スペース１６２に配置された第１支持治具１２０のポート１２８に連結される。吸引ポンプ１６６が発生させた負圧は、第１支持治具１２０に対する電解質膜２０の固定を、持続させると共に、インクの塗布による電解質膜２０の膨潤特性を抑制することが可能である。吸引ポンプ１６６は、適宜省略することも可能である。

乾燥装置１８０は、基部１８２、ヒータ（加熱手段）１８４および吸引ポンプ１８６を有する。基部１８２は、インク塗布層２８が形成された電解質膜２０を保持する第１支持治具１２０が、配置される。

ヒータ１８４は、基部１８２の内部に配置される抵抗発熱体からなり、インク塗布層２８を昇温させて、インク塗布層２８に含まれる溶媒成分（揮発成分）を蒸発させることで、触媒層３０を形成するために使用される。インク塗布層２８を昇温温度は、例えば、４０〜８０℃である。なお、インクが常温乾燥タイプである場合は、ヒータ１８４を省略することも可能である。

吸引ポンプ１８６は、配管系１８８を介し、基部１８２に配置される第１支持治具１２０のポート１２８に連結され、インク塗布層２８に含まれる溶媒成分が蒸発している際、電解質膜２０を吸着するために使用される。吸引ポンプ１８６は、適宜省略することも可能である。

次に、実施の形態１に係る膜電極接合体の製造方法を説明する。

図６は、製造方法を説明するための工程図、図７は、図６に示される第１触媒層形成処理を説明するための工程図である。

実施の形態１に係る燃料電池の膜電極接合体の製造方法は、電解質膜２０の一方の面に触媒層３０を形成するための第１触媒層形成処理、触媒層３０が形成された電解質膜２０を裏返すための反転工程、電解質膜２０の他方の面に触媒層４０を形成するための第２触媒層形成処理を有する。

第１触媒層形成処理は、膜配置工程、予備加熱工程、支持治具取付け工程、塗布工程、支持治具取外し工程および乾燥工程を有する。膜配置工程においては、電解質膜２０が第１支持治具１２０に配置される。予備加熱工程においては、電解質膜２０が予備加熱される。支持治具取付け工程においては、触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布装置１６０に、電解質膜２０が配置された第１支持治具１２０が取付けられる。

塗布工程においては、電解質膜２０の表面（一方の面）に、塗布装置１６０によってインクが塗布される。支持治具取外し工程においては、インクの塗布後、塗布装置１６０から第１支持治具１２０が取外される。乾燥工程においては、電解質膜２０に形成されたインク塗布層２８が、乾燥装置１８０によって乾燥され、触媒層３０が形成される。

つまり、インクの塗布後、支持治具取外し工程を経由して、乾燥工程が配置されており、別途、電解質膜２０に形成されたインク塗布層２８が乾燥されるため、乾燥工程は律速とならず、生産効率を向上させることが容易である。また、第１支持治具１２０は、塗布装置から分離した状態においては、洗浄やメンテナンスおよび電解質膜２０の位置合せも、容易に実行することができる。

実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置および製造方法を詳述する。

図８は、図７に示される膜配置工程を説明するための断面図、図９は、図８に続く、予備加熱工程を説明するための断面図、図１０は、図９に続く、支持治具取付け工程を説明するための断面図、図１１は、図１０に続く、塗布工程を説明するための断面図、図１２は、図１１に続く、支持治具取外し工程を説明するための断面図、図１３は、図１２に続く、乾燥工程を説明するための断面図、図１４は、図１３に続く、反転工程における膜取外し段階を説明するための断面図、図１５は、図１４に続く、反転工程における膜裏返し段階を説明するための断面図である。

膜配置工程においては、所定のサイズに切断された電解質膜２０が、第１支持治具１２０の支持面１２２に配置される。第１支持治具１２０のポート１２８と、吸引ポンプ１３２に連結された配管系１３４とが、接続され、コック１３０が開の状態で、吸引ポンプ１３２が作動される。電解質膜２０は、吸引ポンプ１３２が発生させた負圧によって、支持面１２２に吸着される（図８参照）。吸着による固定が完了すると、コック１３０は、閉に変更され、配管系１３４とポート１２８との接続が解除される。

予備加熱工程においては、コック１３０の閉により、電解質膜２０の固定が維持されている第１支持治具１２０が、予備加熱装置１１０に配置される（図９参照）。

予備加熱装置１１０は、第１支持治具１２０が載置される基部１１２と、ヒータ（１次予備加熱手段）１１４とを有する。ヒータ１１４は、基部１１２の内部に配置される抵抗発熱体からなり、インクの塗布の際における第１支持治具１２０および電解質膜２０の温度低下を抑制し、かつ乾燥装置１８０の負荷を低減するため、電解質膜２０を予備加熱する。なお、塗布工程において適用されるインキが、常温乾燥タイプである場合は、予備加熱工程は、省略することも可能である。

支持治具取付け工程においては、第１支持治具１２０が、塗布装置１６０の収容スペース１６２に配置される。第１支持治具１２０のポート１２８は、吸引ポンプ１６６から延長する配管系１６８と接続される（図１０参照）。

塗布工程においては、マスキング材（不図示）が第１支持治具１２０の表面に配置され、例えば、電解質膜２０の外縁をカバーする。そして、吸引ポンプ１６６による吸引が開始されると、コック１３０が開とされ、ヒータ１６５による第１支持治具１２０および電解質膜２０の予備加熱が開始される。その後、スプレーノズル１６３は、駆動され、電解質膜２０の上方を移動しながら、インクを塗布し、インク塗布層２８を形成する（図１１参照）。所定のインク塗布層２８の形成が完了すると、マスキング材が剥離され、コック１３０は、閉に変更され、配管系１６８とポート１２８との接続が解除される。

支持治具取外し工程においては、第１支持治具１２０が、塗布装置１６０の収容スペース１６２から取外される（図１２参照）
乾燥工程においては、インク塗布層２８を保持する電解質膜２０が固定されかつ予備加熱された第１支持治具１２０が、乾燥装置１８０の基部１８２に配置される。そして、第１支持治具１２０のポート１２８は、吸引ポンプ１８６から延長する配管系１８８と接続される（図１３参照）。

吸引ポンプ１８６による吸引が開始されると、ポート１２８のコック１３０が開とされ、乾燥装置１８０のヒータ１８４は、電解質膜２０を介してインク塗布層２８を昇温し、インク塗布層２８に含まれる溶媒成分を蒸発させ、触媒層３０を形成する。

なお、乾燥工程の後に、後処理として２次加熱工程を設けることも可能である。２次加熱工程は、電解質膜２０に形成された触媒層３０を、昇温温度より高い温度に２次昇温することで、電解質膜２０と触媒層３０との密着性を向上させるために使用される。２次昇温温度は、昇温時の温度が８０℃である場合、例えば、１５０℃である。

この場合、ヒータ１８４は、電解質膜２０と触媒層３０との密着性を向上させるための２次加熱手段として機能する。しかし、２次加熱手段は、ヒータ１８４によって兼ねられる形態に限定されず、別途設けることも可能である。

反転工程は、膜取外し段階および膜裏返し段階を有する。

膜取外し段階においては、第１支持治具１２０のコック１３０は、閉に変更され、配管系１８８とポート１２８との接続が解除され、第１支持治具１２０が、乾燥装置１８０の基部１８２から取外される。そして、コック１３０は、開に変更され、電解質膜２０の吸着が停止され、第１支持治具１２０に対する電解質膜２０の固定が解除さる。その後、触媒層３０が形成された電解質膜２０が、第１支持治具１２０から取外される（図１４参照）。

膜裏返し段階においては、電解質膜２０における触媒層が形成された一方の面が下方に位置するように、電解質膜２０が裏返されて、第１支持治具１２０に配置される（図１５参照）。したがって、電解質膜２０の触媒層３０は、第１支持治具１２０の支持面１２２に相対する。

続いて、電解質膜２０の他方の面（表面）に、触媒層４０を形成するための第２触媒層形成処理が実施され、図１に示される膜電極接合体１０が形成されることになる。第２触媒層形成処理は、第１触媒層形成処理と、略同一の処理であるため、重複を避けるため、その説明を省略する。

以上のように、実施の形態１は、良好な生産効率および作業性を有する膜電極接合体の製造装置および製造方法を提供することが可能である。

なお、吸引ポンプおよび配管系を共有化することも可能である。また、ヒータは、抵抗加熱を利用する形態に限定されない。

図１６は、実施の形態１に係る変形例１を説明するための断面図である。

第１支持治具１２０は、ヒータ１３８を有することも可能である。この場合、ヒータ１３８は、予備加熱装置１１０のヒータ１１４、塗布装置１６０のヒータ１６５および乾燥装置１８０のヒータ１８４を兼用することが可能であるため、予備加熱装置１１０、塗布装置１６０および乾燥装置１８０の構成を簡略化することが可能である。

図１７は、実施の形態１に係る変形例２を説明するための断面図である。

第１支持治具１２０は、コック１３０を有するポート１２８を２つ以上有することも可能である。この場合、複数の第１支持治具１２０を使用して、複数の電解質膜２０の固定や取外し等の作業が、同時にできるため、生産効率を向上させることが可能である。

図１８および図１９は、実施の形態１に係る変形例３に係る塗布装置および乾燥装置を説明するための断面図である。

電解質膜２０における吸収痕および皺の発生や、触媒層３０のクラックの発生を、確実に抑制するためには、第１支持治具１２０の開口部１２４における負圧を調整することが、好ましい。これは、例えば、塗布装置１６０に係る吸引ポンプ１６６から延長する配管系１６８の途中および乾燥装置１８０に係る吸引ポンプ１８６から延長する配管系１８８の途中に、圧力制御器（圧力制御手段）１６９，１８９を配置することで、達成することが可能である。

この場合、圧力制御器１６９における塗布時の吸引圧Ｐ１は、圧力制御器１８９における乾燥時の吸引圧Ｐ２より大きいあるいは等しいことが好ましく、特に、大きいことが好ましい。

つまり、塗布工程における負圧（塗布装置１６０によってインクを塗布する際における第１支持治具１２０の開口部１２４における負圧）は、乾燥工程における負圧（乾燥装置１８０によって触媒層３０を形成する際における第１支持治具１２０の開口部１２４における負圧）より大きいあるいは等しいことが好ましく、特に、大きいことが好ましい。

なお、吸引圧Ｐ１は、例えば、５３〜１０１ｋＰａ（４００〜７６０ｍｍｍＨｇ）、吸引圧Ｐ２は、例えば、２０〜５３ｋＰａ（１５０〜４００ｍｍＨｇ）である。

図２０〜図２２は、実施の形態１に係る変形例４〜６を説明するための断面図である。

電解質膜における吸収痕および皺の発生や、触媒層のクラックの発生を、確実に抑制するためには、第１支持治具の開口部１２４の形状、分布および開口率は、インクの塗布量の分布を考慮し、インクの乾燥速度が均一になるように構成されることも好ましい。

例えば、図２０に示されるように、電解質膜においてインクが塗布される部位と対応する第１支持治具の支持面１２２の中央部における開口部１２４の分布を密とし、一方、電解質膜においてインクが塗布されない部位と対応する支持面１２２の外周部における開口部１２４の分布を疎とすることが可能である。また、インクの性状や塗布方式に応じて、図２１および図２２に示されるような構成を適用することも可能である。

次に、実施の形態２を説明する。

図２３および図２４は、実施の形態２に係る製造装置および製造方法を説明するための断面図および平面図である。実施の形態２は、電解質膜２０を湿潤させるための湿潤装置（湿潤手段）が適用される湿潤工程を、さらに有する点で、実施の形態１と概して異なる。なお、以下において、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

湿潤装置は、電解質膜２０に水を噴霧するための噴霧装置（噴霧手段）２９０を有する。噴霧装置２９０は、膜配置工程において利用され、第１支持治具２２０の支持面２２２に配置される電解質膜２０の上方を、移動自在に配置されている。つまり、湿潤工程は、膜配置工程に組み入れられている。

実施の形態２に係る膜配置工程においては、所定のサイズに切断された電解質膜２０が、第１支持治具２２０の支持面２２２に配置される。噴霧装置２９０が、電解質膜２０に向かって水を噴霧する。水による湿潤領域は、塗布工程においてマスキング材が配置される部位２２が好ましいが、必要に応じて、電解質膜２０全体を湿潤領域とすることも可能である。

湿潤完了後、第１支持治具２２０のポート２２８と吸引ポンプ２３２に連結された配管系２３４とが、接続され、コック２３０が開の状態で、吸引ポンプ２３２が作動される。電解質膜２０は、吸引ポンプ２３２が発生させた負圧によって、支持面２２２に吸着される。吸着による固定が完了すると、コック２３０は、閉に変更され、配管系２３４とポート２２８との接続が解除される。

予備加熱工程以降は、実施の形態１と略一致するために、その説明を省略する。

以上のように、実施の形態２は、湿潤装置（湿潤工程）を有するため、電解質膜２０の湿潤状態を制御することが可能である。したがって、電解質膜２０の湿潤状態のバラツキ等に基づく、電解質膜２０における吸収痕および皺の発生や、触媒層３０のクラックの発生を抑制することができる。

なお、湿潤装置は、噴霧装置２９０を有する形態に限定されず、雰囲気の湿度を上昇させることが可能な加湿装置を有することも可能である。

図２５は、実施の形態２の変形例を説明するための断面図である。

噴霧装置２９０は、膜配置工程に適用することに限定されず、例えば、塗布装置２６０に配置し、インクの塗布中に、電解質膜を湿潤することも可能である。なお、符号２６３および２６６は、スプレーノズルおよび吸引ポンプを示している。

次に、実施の形態３を説明する。

図２６は、実施の形態３に係る製造装置を説明するための断面図である。実施の形態３は、支持治具の構造および反転工程に関して、実施の形態１と概して異なる。

実施の形態３に係る製造装置は、第１支持治具３２０と略同一形状を有する第２支持治具３４０を有する。第２支持治具３４０は、電解質膜２０の他方の面に触媒層４０を形成するために使用され、反転工程において、第１支持治具３２０に配置された電解質膜２０に形成された触媒層３０に相対するように配置される。

第１支持治具３２０および第２支持治具３４０は、支持面３２２，３４２の外部に配置される凹部３２６，３４６および凸部３２７，３４７をそれぞれ有する。第１支持治具３２０の凹部３２６および凸部３２７は、第２支持治具３４０の凸部３４７および凸部３４７と、嵌合することで、位置合せ構造を形成する。

つまり、触媒層３０が一方の面に形成された電解質膜２０を吸着保持している第１支持治具３２０と、電解質膜２０の他方の面に触媒層４０を形成するための第２支持治具３４０とは、支持面３２２，３４２が重なるように、容易かつ確実に位置合せすることが可能である。したがって、電解質膜２０の一方の面に形成された触媒層３０のエリアと、電解質膜２０の他方の面に形成される触媒層４０のエリアとを、正確に一致させることが可能になる。

なお、符号３２８，３４８は、ポートを示し、符号３３０，３５０は、コックを示している。

次に、実施の形態３に係る製造方法を説明する。図２７は、反転工程における治具取外し段階を説明するための断面図、図２８は、図２７に続く、反転工程における位置合せ段階を説明するための断面図、図２９は、図２８に続く、反転工程における吸引切換え段階を説明するための断面図、図３０は、図２９に続く、反転工程における膜裏返し段階を説明するための断面図である。

実施の形態１と同様に、第１触媒層形成処理の膜配置工程〜乾燥工程を経由し、第１支持治具３２０に吸着固定される電解質膜２０の一方の面に、触媒層３０が形成されると、反転工程に投入される。

実施の形態３に係る反転工程は、治具取外し段階、位置合せ段階、吸引切換え段階および膜裏返し段階を有する。

治具取外し段階においては、第１支持治具３２０のコック３３０は、閉に変更され、ポート３２８と配管系３８８との接続が解除され、第１支持治具３２０が、乾燥装置の基部３８２から取外される（図２７参照）。なお、コック３３０が閉であるため、第１支持治具３２０による電解質膜２０を吸着固定は、維持されている。

位置合せ段階においては、第２支持治具３４０が、電解質膜２０を吸着固定している第１支持治具３２０上に配置される（図２８参照）。第２支持治具３４０の凸部３４７および凹部３４６は、第１支持治具３２０の凹部３２６および凸部３２７と、嵌合することで、位置合せ構造を形成し、第２支持治具３４０の支持面３４２と第１支持治具３２０の支持面３２２とが正確に重なる。

つまり、触媒層３０が一方の面に形成された電解質膜２０を吸着保持している第１支持治具３２０と、電解質膜２０の他方の面に触媒層４０を形成するための第２支持治具３４０とは、支持面３２２，３４２が重なるように、容易かつ確実に位置合せされる。

第２支持治具３４０のポート３４８と吸引ポンプ３９６から延長する配管系３９８とが接続され、第２支持治具３４０のコック３５０は、開に設定される。その結果、電解質膜２０は、第２支持治具３４０によって吸着される。その後、第１支持治具３２０のコック１３０は、開に変更され、第１支持治具３２０による電解質膜２０を吸着固定は、解除される（図２９参照）。

膜裏返し段階においては、第２支持治具３４０が第１支持治具３２０から離されて（図３０参照）、裏返される。電解質膜２０は、第２支持治具３４０の支持面３４２によって単独で保持されているため、第２支持治具３４０に同伴される。

電解質膜２０における触媒層３０が形成されている一方の面は、第２支持治具３４０の支持面３４２に相対している。したがって、電解質膜２０の表面は、触媒層３０が形成されていない他方の面となる。

そして、第２触媒層形成処理において、電解質膜２０の他方の面に対する触媒層４０の形成が、電解質膜２０の一方の面に対する触媒層３０の形成と同様に実施される。したがって、電解質膜２０の一方の面に形成された触媒層３０のエリアと、電解質膜２０の他方の面に形成される触媒層３４のエリアとが、正確に一致する。

以上のように、実施の形態３は、第１支持治具３２０と連携し位置合せ構造を形成する第２支持治具３４０を有するため、電解質膜２０の両面に形成される触媒層３０のエリアを、確実に一致させることが可能である。また、位置合せが容易であるため、電解質膜２０の反転に要する時間が短縮され、かつ、電解質膜２０の取扱いが減るため、電解質膜２０の破損が抑制することができる。

なお、第１支持治具３２０および第２支持治具３４０は、略同一形状を有することに限定されない。

次に、実施の形態４を説明する。

図３１は、実施の形態４に係る製造装置を説明するための断面図、図３２は、図３１に示される切断治具の背面図である。実施の形態４は、電解質膜２０を所定のサイズに切断するための切断装置を有し、配置工程が切断段階を有する点に関し、実施の形態１と概して異なる。

切断装置４０２は、基部４０４、切断治具（トリミング手段）４０６および吸引ポンプ４３２を有する。基部４０４は、第１支持治具４２０が着脱自在に配置される収容スペース４０５を有する。

切断治具４０６は、電解質膜２０の所定のサイズに対応するトムソン型刃４０８が埋め込まれており、また、基部４０４に旋回自在に取付けられている。吸引ポンプ４３２は、収容スペース４０５に配置される第１支持治具４２０のポート４２８と連結される配管系４３４を有する。

次に、実施の形態４に係る製造方法を説明する。図３３は、配置工程における支持治具取付け段階を説明するための断面図、図３４は、図３３に続く、配置工程における切断段階を説明するための断面図、図３５は、図３４に続く、配置工程における支持治具取外し段階を説明するための断面図である。

実施の形態４に係る配置工程は、支持治具取付け段階、切断段階および支持治具取外し段階を有する。

支持治具取付け段階においては、切断治具４０６は、第１支持治具４２０の取付けを妨害いしないように、上方に旋回した状態で、保持される。第１支持治具４２０が、切断装置４０２の収容スペース４０５に配置されると、電解質膜２０が、第１支持治具４２０の支持面４２２に配置される（図３３参照）。なお、第１支持治具４２０は、トムソン型刃４０８に対応する溝部４２３を有する。

第１支持治具４２０のポート４２８と、吸引ポンプ４３２に連結された配管系４３４とが、接続される。コック４３０が開の状態で、吸引ポンプ４３２が作動される。電解質膜２０は、吸引ポンプ４３２が発生させた負圧によって、支持面４２２に吸着固定される。

切断段階においては、切断治具４０６は、電解質膜２０に向かって旋回する。切断治具４０６に埋め込まれているトムソン型刃４０８は、電解質膜２０を所定のサイズに切断し、その先端は、第１支持治具４２０の溝部４２３に位置することとなる（図３４参照）。つまり、電解質膜２０は、第１支持治具４２０の支持面４２２の所定のエリアに、正確に配置された状態で、切断される。

支持治具取外し段階においては、切断治具４０６が上方に旋回し、コック４３０は、閉に変更され、配管系４３４とポート４２８との接続が解除される。第１支持治具４２０は、コック４３０の閉により、電解質膜２０の吸着固定が維持された状態で、切断装置４０２の収容スペース４０５から取外される（図３５参照）。

その後、第１支持治具４２０は、予備加熱工程に搬入される。なお、予備加熱工程以降は、実施の形態１と略一致するために、その説明を省略する。

以上のように、実施の形態４は、切断装置（切断段階）が組み込まれているめ、電解質膜２０を、第１支持治具４２０に正確に位置合せして、配置することが可能である。また、位置合せが容易であるため、電解質膜２０の配置に要する時間が短縮され、かつ、電解質膜２０の取扱いが減るため、電解質膜２０の破損が抑制することができる。

なお、必要に応じ、切断治具４０６を下方に配置し、第１支持治具４２０を基部４０４に旋回自在かつ着脱自在に取付けられるように構成することも可能である。

図３６は、実施の形態４に係る変形例１を説明するための断面図である。

切断治具４０６は、反転工程に利用することも可能である。例えば、切断治具（トリミング手段）４０６に、切断治具４０６および第２支持治具４４０が旋回自在かつ着脱自在に取付けられるように構成する場合、実施の形態３の同様に、電解質膜２０の一方の面に形成される触媒層３０のエリアと、電解質膜２０の他方の面に形成される触媒層４０のエリアとを、確実に一致させることが可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、実施の形態１に係る変形例１〜６同士や、実施の形態１に係る変形例１〜６と、実施の形態２〜４とを、適当に組み合わせることも可能である。

実施の形態１に係る膜電極接合体を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置の第１支持治具を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置の第１支持治具を説明するための平面図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置の塗布装置を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の製造装置の乾燥装置を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の製造方法を説明するための工程図である。 図６に示される第１触媒層形成処理を説明するための工程図である。 図７に示される膜配置工程を説明するための断面図である。 図８に続く、予備加熱工程を説明するための断面図である。 図９に続く、支持治具取付け工程を説明するための断面図である。 図１０に続く、塗布工程を説明するための断面図である。 図１１に続く、支持治具取外し工程を説明するための断面図である。 図１２に続く、乾燥工程を説明するための断面図である。 図１３に続く、反転工程における膜取外し段階を説明するための断面図である。 図１４に続く、反転工程における膜裏返し段階を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例１を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例２を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例３に係る塗布装置を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例３に係る乾燥装置を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例４を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例５を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る変形例６を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る製造装置および製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る製造装置および製造方法を説明するための平面図である。 実施の形態２の変形例を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る製造装置を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る製造方法を説明するための断面図であり、反転工程における治具取外し段階を示している。 図２７に続く、反転工程における位置合せ段階を説明するための断面図である。 図２８に続く、反転工程における吸引切換え段階を説明するための断面図である。 図２９に続く、反転工程における膜裏返し段階を説明するための断面図である。 実施の形態４に係る製造装置を説明するための断面図である。 図３１に示される切断治具の背面図である。 実施の形態４に係る製造方法を説明するための断面図であり、配置工程における支持治具取付け段階を示している。 図３３に続く、配置工程における切断段階を説明するための断面図である。 図３４に続く、配置工程における支持治具取外し段階を説明するための断面図である。 実施の形態４に係る変形例を説明するための断面図である。

符号の説明

１０・・膜電極接合体、
２０・・電解質膜、
２２・・部位、
２８・・インク塗布層、
３０，４０・・触媒層、
５０，６０・・セパレータ、
１１０・・予備加熱装置、
１１２・・基部、
１１４・・ヒータ、
１２０・・第１支持治具、
１２２・・支持面、
１２４・・開口部、
１２８・・ポート、
１３０・・コック、
１３２・・吸引ポンプ、
１３４・・配管系、
１３８・・ヒータ、
１６０・・塗布装置、
１６２・・収容スペース、
１６３・・スプレーノズル、
１６５・・ヒータ、
１６６・・吸引ポンプ、
１６８・・配管系、
１６９・・圧力制御器、
１８０・・乾燥装置、
１８２・・基部、
１８４・・ヒータ、
１８６・・吸引ポンプ、
１８８・・配管系、
１８９・・圧力制御器、
２２０・・第１支持治具、
２２２・・支持面、
２２８・・ポート、
２３０・・コック、
２３２・・吸引ポンプ、
２３４・・配管系、
２６０・・塗布装置、
２６３・・スプレーノズル、
２６６・・吸引ポンプ、
２９０・・噴霧装置、
３２０・・第１支持治具、
３２２・・支持面、
３２６・・凹部、
３２７・・凸部、
３２８・・ポート、
３３０・・コック、
３４０・・第２支持治具、
３４２・・支持面、
３４６・・凹部、
３４７・・凸部、
３４８・・ポート、
３５０・・コック、
３８２・・基部、
３８８・・配管系、
３９６・・吸引ポンプ、
３９８・・配管系、
４０２・・切断装置、
４０４・・基部、
４０５・・収容スペース、
４０６・・切断治具、
４０８・・トムソン型刃、
４２０・・第１支持治具、
４２２・・支持面、
４２３・・溝部、
４２８・・ポート、
４３０・・コック、
４３２・・吸引ポンプ、
４３４・・配管系、
４４０・・第２支持治具、
Ｐ１，Ｐ２・・吸引圧。

Claims (38)

1. 電解質膜が配置される第１支持治具、
   前記第１支持治具に配置された前記電解質膜の表面に、触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布手段、および、
   前記インクの塗布層を乾燥して触媒層を形成するための乾燥手段を有し、
   前記第１支持治具は、前記塗布手段に対して着脱自在である
   ことを特徴とする膜電極接合体の製造装置。
2. 前記乾燥手段は、前記インクの塗布層を昇温するための加熱手段を有す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装置。
3. 前記触媒層を、前記インクの塗布層の昇温温度より高い温度に２次昇温し、前記電解質膜と前記触媒層との密着性を向上させるための２次加熱手段を有することを特徴とする請求項２に記載の膜電極接合体の製造装置。
4. 前記加熱手段は、前記２次加熱手段を兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の膜電極接合体の製造装置。
5. 前記第１支持治具は、加熱手段を有す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装置。
6. 負圧発生手段、
   前記第１支持治具の支持面に配置される開口部、および、
   前記負圧発生手段と前記開口部とを連結するための配管系を有し、
   前記第１支持治具の支持面は、前記負圧発生手段が発生させた負圧によって、前記電解質膜を、固定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
7. 前記開口部は、複数であることを特徴とする請求項６に記載の膜電極接合体の製造装置。
8. 前記開口部の形状、分布および開口率は、前記インクの塗布層の乾燥速度が均一になるように構成され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。
9. 前記開口部の分布は、前記支持面の中央部が密であり、前記支持面の外周部は疎であることを特徴とする請求項８に記載の膜電極接合体の製造装置。
10. 前記第１支持治具は、前記配管系に接続するためのポートを有し、前記ポートは、開閉自在のバルブ手段を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
11. 前記第１支持治具の開口部における負圧を調整するための圧力制御手段を有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
12. 前記塗布手段によって前記インクを塗布する際における前記第１支持治具の開口部における負圧は、前記乾燥手段によって前記触媒層を形成する際における前記第１支持治具の開口部における負圧より大きいあるいは等しいことを特徴とする請求項１１に記載の膜電極接合体の製造装置。
13. 前記インクを塗布する前あるいは塗布中に、前記電解質膜を湿潤させるための湿潤手段を有することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
14. 前記インクを塗布する前かつ前記電解質膜が前記第１支持治具に固定される前に、前記電解質膜を湿潤させるための湿潤手段を有することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
15. 前記湿潤手段は、前記電解質膜に水を噴霧するための噴霧手段を有することを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の膜電極接合体の製造装置。
16. 前記触媒層が形成された前記電解質膜を裏返すために、前記第１支持治具に相対するように配置される第２支持治具を有し、
    前記第１支持治具および前記第２支持治具は、前記第１支持治具の支持面と前記第２支持治具の支持面とが重なるように位置合せするための位置合せ構造を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
17. 前記第１支持治具および前記第２支持治具は、前記支持面の外部に配置される凹部および凸部をそれぞれ有し、
    前記位置合せ構造は、前記第１支持治具の凹部および凸部と、前記第２支持治具の凸部および凹部とを嵌合させることによって形成されることを特徴とする請求項１６に記載の膜電極接合体の製造装置。
18. 前記第１支持治具および前記第２支持治具は、略同一形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の膜電極接合体の製造装置。
19. 前記電解質膜を所定のサイズに切断するためのトリミング手段を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
20. 前記トリミング手段は、トムソン型刃を有することを特徴とする請求項１９に記載の膜電極接合体の製造装置。
21. 電解質膜を第１支持治具に配置するための配置工程、
    触媒成分を含有するインクを塗布するための塗布手段に、前記電解質膜が配置された前記第１支持治具を取付けるための取付け工程、
    前記電解質膜の表面に、前記塗布手段によって前記インクを塗布するための塗布工程、
    前記インクの塗布後、前記塗布手段から前記第１支持治具を取外すための取外し工程、および、
    前記インクの塗布層を、乾燥手段によって乾燥し、触媒層を形成するための乾燥工程
    を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
22. 前記乾燥工程においては、前記乾燥手段が有する加熱手段によって、前記インクの塗布層が昇温させられることを特徴とする請求項２１に記載の膜電極接合体の製造方法。
23. 前記触媒層を、前記インクの塗布層の昇温温度より高い温度に２次昇温し、前記電解質膜と前記触媒層との密着性を向上させるための２次加熱工程を有することを特徴とする請求項２２に記載の膜電極接合体の製造方法。
24. 前記第１支持治具の支持面は、負圧発生手段から延長する配管系と連結される開口部を有し、
    前記電解質膜は、前記負圧発生手段が発生させた負圧によって、前記第１支持治具の支持面に固定される
    ことを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
25. 前記開口部は、複数であることを特徴とする請求項２４に記載の膜電極接合体の製造方法。
26. 前記開口部の形状、分布および開口率は、前記インクの塗布層の乾燥速度が均一になるように構成されることを特徴とする請求項２５に記載の膜電極接合体の製造方法。
27. 前記開口部の分布は、前記支持面の中央部が密であり、前記支持面の外周部は疎であることを特徴とする請求項２６に記載の膜電極接合体の製造方法。
28. 前記第１支持治具は、前記配管系に接続するためのポートを有しており、
    前記ポートが有するバルブ手段を閉とすることにより、前記配管系との接続が解除された状態で、前記第１支持治具に対する前記電解質膜の固定が、維持されることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
29. 前記第１支持治具の開口部における負圧は、調整されることを特徴とする請求項２８に記載の膜電極接合体の製造方法。
30. 前記塗布工程における前記第１支持治具の開口部における負圧は、前記乾燥工程における前記第１支持治具の開口部における負圧より大きいあるいは等しいことを特徴とする請求項２９に記載の膜電極接合体の製造方法。
31. 前記インクを塗布する前あるいは塗布中に、前記電解質膜を湿潤させるための湿潤工程を、さらに有することを特徴とする請求項２４〜３０のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
32. 前記インクを塗布する前かつ前記電解質膜が前記第１支持治具に固定される前に、前記電解質膜を湿潤させるための湿潤工程を、さらに有することを特徴とする請求項２４〜３０のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
33. 前記湿潤工程においては、前記電解質膜に水が噴霧されることを特徴とする請求項３１又は請求項３２に記載の膜電極接合体の製造方法。
34. 前記第１支持治具に相対するように配置される第２支持治具によって、前記触媒層が形成された前記電解質膜を裏返すための反転工程を有し、
    前記反転工程は、前記第１支持治具および前記第２支持治具が有する位置合せ構造によって、前記第１支持治具の支持面と前記第２支持治具の支持面とが重なるように位置合せするための位置合せ段階を有することを特徴とする請求項２４〜３３のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
35. 前記第１支持治具および前記第２支持治具は、前記支持面の外部に配置される凹部および凸部をそれぞれ有し、
    前記位置合せ構造は、前記第１支持治具の凹部および凸部と、前記第２支持治具の凸部および凹部とを嵌合させることによって形成されることを特徴とする請求項３４に記載の膜電極接合体の製造方法。
36. 前記第１支持治具および前記第２支持治具は、略同一形状を有することを特徴とする請求項３５に記載の膜電極接合体の製造方法。
37. 前記配置工程は、トリミング手段によって前記電解質膜を所定のサイズに切断するための切断段階を有することを特徴とする請求項４に記載の膜電極接合体の製造方法。
38. 前記トリミング手段は、トムソン型刃を有することを特徴とする請求項３７に記載の膜電極接合体の製造方法。

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