JP2013157270A - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の使用量を抑制しつつ、簡易な構成で適正な位置に電極触媒層が形成された膜電極接合体を製造する。
【解決手段】ＭＥＡ１００の製造方法は、アノード電極触媒層１２を電解質膜１０上に形成する工程と、アノード電極触媒層１２より触媒使用量の多いカソード電極触媒層１４を支持体３６２上に形成する工程と、アノード電極触媒層１２が形成されている第１の面１６とは反対側の電解質膜１０の第２の面１７に、支持体３６２に形成されているカソード電極触媒層１４を転写する工程とを備える。カソード電極触媒層１４が間欠的に形成されるので、触媒の使用量を抑制でき、コストパフォーマンスを向上できる。また、アノード電極触媒層１２が連続的に形成されるので、カソード電極触媒層１４とアノード電極触媒層１２との位置合わせが不要となり、簡易な機構でＭＥＡ１００を製造できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、膜電極接合体を製造する方法に関し、特に、電解質膜への電極触媒層の形成に関する。

電極に触媒が担持された電極触媒層が電解質膜に転写された膜電極接合体が燃料電池に利用されている。膜電極接合体の製造方法として、燃料電池の発電反応が生じる領域に対応する形状を有するアノード側電極触媒層およびカソード電極触媒層を、位置合わせしながら電解質膜へ転写を行う手法が提案されている。

また、位置合わせを不要とする膜電極接合体の製造方法として、白金などの触媒を担持するカーボン担体と電気伝導性物質である電解質溶液との混合溶液（触媒インク）を電解質膜に塗布して乾燥させる手法が提案されている。

特開２０１０−１７６８９７号公報 特開２０１０−２１２００５号公報 特開２０１１−１４２０１１号公報 特許第４６９６４６２号 特開２０１０−７３６３９号公報 特開２００１−１９６０７０号公報

しかしながら、位置合わせを行いつつ電極触媒層を電解質膜へ転写する手法では、位置合わせセンサーや位置合わせ機構など、膜電極接合体を製造するための装置が複雑、巨大化するおそれがある。また、常に位置合わせセンサーによって検出される情報に基づき制御を行わなければならず、転写速度を高速化することが困難になる。

また、位置合わせを不要とする膜電極接合体の製造方法では、電解質膜の全面に触媒インクが塗布されるので、燃料電池の発電反応が生じる領域以外の部分に、アノード極、カソード極の両極で多量の白金触媒が利用されることとなる。この結果、高価な白金触媒が浪費され、コストパフォーマンスの低下という問題が生じる。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、触媒の使用量を抑制しつつ、簡易な構成で適正な位置に電極触媒層が形成された膜電極接合体を製造することを目的とする。

本発明は、上述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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
膜電極接合体の製造方法であって、触媒が担持された第１の電極触媒層を、電解質膜の第１の面上に、連続的に形成する工程と、触媒が担持された第２の電極触媒層であって、前記第１の電極触媒層よりも単位面積あたりの触媒の含有密度が高い第２の電極触媒層を、前記第１の面とは異なる前記電解質膜の第２の面上に、間欠的に形成する工程と、を備える膜電極接合体の製造方法。

適用例１の膜電極接合体の製造方法によれば、第２の電極触媒層が間欠的に形成されるので、触媒の使用量を抑制でき、コストパフォーマンスを向上できる。また、第１の電極触媒層が連続的に形成されるので、第１の電極触媒層と第２の電極触媒層との位置合わせが不要となり、簡易な機構で膜電極接合体を製造できる。

［適用例２］
適用例１記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記第２の電極触媒層を形成する工程は、前記第２の電極触媒層を支持体に間欠的に形成する工程と、前記支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する工程と、を含む膜電極接合体の製造方法。

適用例２の膜電極接合体の製造方法によれば、第２の電極触媒層は、支持体へ形成された後、第１の面に第１の電極触媒層が形成されている電解質膜の第２の面へ転写される。従って、電解質膜への第１の電極触媒層の形成と、支持体への第２の電極触媒層の形成を並列して行うことができ、製造時間の短縮を図ることができる。

［適用例３］
適用例１記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記第１の電極触媒層を形成する工程は、前記第１の電極触媒層を第１の支持体に連続的に形成する工程と、前記第１の支持体に形成された前記第１の電極触媒層を、前記電解質膜の前記第１の面上に転写する工程と、を含み、前記第２の電極触媒層を形成する工程は、前記第２の電極触媒層を第２の支持体に間欠的に形成する工程と、前記第２の支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する工程と、を含む膜電極接合体の製造方法。

適用例３の膜電極接合体の製造方法によれば、第１の電極触媒層、第２の電極触媒層ともに、支持体に形成された後、電解質膜に転写される。従って、第１の電極触媒層および第２の電極触媒層を形成するための装置を共有することができる。よって、製造コストを削減できる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３いずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記第２の電極触媒層は、燃料電池の発電反応が生じる領域である発電領域と略同一形状を有するように形成される、膜電極接合体の製造方法。

適用例４の膜電極接合体の製造方法によれば、第２の電極触媒層は、発電領域と略同一形状を有するように形成される。従って、電解質膜の、発電に必要な領域に第２の電極触媒層を形成することができる。よって、発電領域以外に触媒が使用されることを抑制でき、触媒の使用量を抑制できる。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４いずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記第１の電極触媒層は、アノード側の電極触媒層であり、前記第２の電極触媒層は、カソード側の電極触媒層である、膜電極接合体の製造方法。

適用例５の膜電極接合体の製造方法によれば、第１の電極触媒層はアノード側の電極触媒層であり、第２の電極触媒層はカソード側の電極触媒層である。従って、カソード極側に触媒使用量の多い電極触媒層を形成でき、発電効率を向上できる。

［適用例６］
膜電極接合体の製造装置であって、触媒が担持された第１の電極触媒層を、電解質膜の第１の面上に、連続的に形成する第１の形成部と、触媒が担持された第２の電極触媒層であって、前記第１の電極触媒層よりも単位面積あたりの触媒の含有密度が高い第２の電極触媒層を、前記第１の面とは異なる前記電解質膜の第２の面上に、間欠的に形成する第２の形成部と、を備える膜電極接合体の製造装置。

適用例６の膜電極接合体の製造装置によれば、第２の電極触媒層が間欠的に形成されるので、触媒の使用量を抑制でき、膜電極接合体の製造にかかるコストパフォーマンスを向上できる。また、第１の電極触媒層が連続的に形成されるので、第１の電極触媒層と第２の電極触媒層との位置合わせが不要となり、簡易な機構で膜電極接合体を製造できる。

［適用例７］
適用例６記載の膜電極接合体の製造装置であって、前記第２の形成部は、前記第２の電極触媒層を支持体に間欠的に形成する間欠形成部と、前記支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する転写部と、を含む膜電極接合体の製造装置。

適用例７の膜電極接合体の製造装置によれば、第２の電極触媒層は、支持体へ形成された後、第１の面に第１の電極触媒層が形成されている電解質膜の第２の面へ転写される。従って、電解質膜への第１の電極触媒層の形成と、第２の電極触媒層の支持体への形成を並列して行うことができ、製造時間の短縮を図ることができる。

［適用例８］
適用例６記載の膜電極接合体の製造装置であって、前記第１の形成部は、前記第１の電極触媒層を第１の支持体に連続的に形成する連続形成部と、前記第１の支持体に形成された前記第１の電極触媒層を、前記電解質膜の前記第１の面上に転写する第１の転写部と、を含み、前記第２の形成部は、前記第２の電極触媒層を第２の支持体に間欠的に形成する間欠形成部と、前記第２の支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する第２の転写部と、を含む膜電極接合体の製造装置。

適用例８の膜電極接合体の製造方法によれば、第１の電極触媒層、第２の電極触媒層ともに、支持体に形成された後、電解質膜に転写される。従って、第１の電極触媒層および第２の電極触媒層を形成するための装置を共有することができる。よって、製造コストを削減できる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。

第１実施例における膜電極接合体を説明する説明図。 第１実施例におけるセパレータと電極触媒層との位置関係について説明する説明図。 第１実施例におけるＭＥＡ１００の製造工程を説明するフローチャート。 第１実施例におけるＭＥＡ１００の製造装置について説明する説明図。 第２実施例におけるＭＥＡの製造装置について説明する説明図。 第３実施例におけるＭＥＡの製造方法について説明する説明図。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．膜電極接合体の概略構成：
図１は、第１実施例における膜電極接合体を説明する説明図である。以降、本明細書では、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly）をＭＥＡと表す。図１（ａ）は、ＭＥＡ１００のアノード側平面図である。図１（ｂ）は、ＭＥＡ１００のカソード側平面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）のＡ−Ａ断面におけるＭＥＡ１００の断面図である。第１実施例では、図１に示すように、複数のＭＥＡ１００が連続した帯状態のＭＥＡ２００として製造され、破線に示すように分離されることにより、一つのＭＥＡ１００が形成される。図示しない一対のセパレータによってＭＥＡ１００を狭持することにより、燃料電池に搭載されるセルが構成される。

ＭＥＡ１００は、電解質膜１０の各々の面上に形成されたアノード電極触媒層１２、および、カソード電極触媒層１４を備え、固体高分子型の燃料電池に利用される。電解質膜１０は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子型の電解質膜である。アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１４は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１４は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜１０を構成する高分子電解質と同様の電解質とを備えている。カーボン粒子として、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等を用いることができる。

図１（ａ）に示すように、アノード電極触媒層１２は、電解質膜１０の第１の面１６上に連続した帯状に形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、カソード電極触媒層１４は、電解質膜１０の第２の面１７上に、矩形状に、間欠的に連続して形成されている。カソード電極触媒層１４は、アノード電極触媒層１２よりも触媒含有量が多い。換言すれば、カソード電極触媒層１４はアノード電極触媒層１２よりも、単位面積あたりの触媒の含有密度が高い。第１実施例において、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４は、それぞれ、特許請求の範囲における「第１の電極触媒層」、「第２の電極触媒層」にあたる。

図２は、第１実施例におけるセパレータと電極触媒層との位置関係について説明する説明図である。図２（ａ）は、アノード側セパレータ５０と、アノード電極触媒層１２との位置関係について示している。図２（ｂ）は、カソード側セパレータ６０と、カソード電極触媒層１４との位置関係について示している。電解質膜１０は、その外周端１５がアノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ６０によって狭持されることにより、アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ６０の間に固定されている。図２（ａ）、図２（ｂ）は、いずれも、電解質膜１０が配置される面と反対側の面から見た平面図を表している。

アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ６０は、燃料ガス供給孔５１、６１、燃料ガス排出口５２，６２、酸化ガス供給孔５３、６３、酸化ガス排出孔５４，６４，冷却水供給孔５５、６５、冷却水排出孔５６、６６が形成されている。各セパレータ５０，６０が備える燃料ガス供給孔５１、６１、燃料ガス排出口５２，６２はそれぞれ、燃料電池内部をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、各セパレータ５０，６０が備える酸化ガス供給孔５３、６３、酸化ガス排出孔５４，６４は、同じく燃料電池内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドをそれぞれ形成する。同様に、冷却水供給孔５５、６５、冷却水排出孔５６、６６は、それぞれ、燃料電池内部をその積層方向に貫通する冷却水供給流路、冷却水排出流路を形成する。なお、図２において、各セパレータ５０，６０面内に形成されている燃料ガス流路、酸化ガス流路、冷却水流路については、図面を明瞭とするため記載が省略されている。

図２（ａ）に示すように、アノード電極触媒層１２は、電解質膜１０のガス流路方向Ｘ（図面左右方向）の、一端から他端まで延伸して形成されている。すなわち、電解質膜１０の第１の面１６上において、燃料電池の発電反応が生じる領域である発電領域１０ａ以外の領域（外周端１５）にも、アノード電極触媒層１２が形成される。ただし、既述の通り、アノード電極触媒層１２は、カソード電極触媒層１４よりも、単位面積あたりの触媒の含有密度が低い。なお、発電反応が生じる領域とは、ＭＥＡ１００において反応ガスに曝される領域である。

図２（ｂ）に示すように、カソード電極触媒層１４は、ＭＥＡ１００における発電領域１０ａと略同一形状を有するように形成されており、電解質膜１０よりも小さい面積を有する。すなわち、電解質膜１０の第２の面１７上において、発電領域１０ａ以外の領域（外周端１５）には、カソード電極触媒層１４が形成されない。

Ａ２．製造工程：
図３は、第１実施例におけるＭＥＡ１００の製造工程を説明するフローチャートである。まず、２種類の触媒インクを用意する。具体的には、電解質膜１０の第１の面１６上に、アノード電極触媒層１２を形成するために用いられるアノード触媒インクを作製する（ステップＳ１０）とともに、電解質膜１０の第２の面１７上に、カソード電極触媒層１４を形成するために用いられるカソード触媒インクを作製する（ステップＳ１２）。以降、アノード触媒インク、カソード触媒インクを、合わせて、単に、「触媒インク」とも呼ぶ。

これらの触媒インクは、それぞれ、触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、これらの分散媒（純水、および、エタノール）とを、ホモジナイザーによって混合・攪拌することによって作製される。本実施例では、触媒担持カーボンとして、白金粒子を担持したカーボンブラックを用いる。また、アイオノマーとして、フッ素系アイオノマーであるパーフルオロスルホン酸樹脂を用いる。第１実施例において、カソード触媒インクは、アノード触媒インクに比して、触媒の含有密度が高くなるように作製される。

作製された触媒インクを利用して、スリットダイを用いた製造装置を利用して膜電極接合体を作製する。以降の説明では、図４を適宜参照しながら説明する。

図４は、第１実施例におけるＭＥＡ１００の製造装置について説明する説明図である。製造装置３００は、アノード形成系３１０、カソード形成系３２０および転写系３３０とから構成されている。アノード形成系３１０は、ダイコーター３１１と、搬送ロール３１５と、支持体巻き取りロール３１９と、乾燥ゾーン３１６とから構成される。ダイコーター３１１は、ダイ３１２とバックアップロール３１３を有する。また、乾燥ゾーン３１６は、加熱ロール３１７および図示しない温風機構を備える。

カソード形成系３２０は、ダイコーター３２１と、搬送ロール３２５と、ニップロール３３１、ヒートロール３３３、乾燥ゾーン３２６とから構成されている。ダイコーター３２１は、ダイ３２２とバックアップロール３２３を有する。また、乾燥ゾーン３２６は、加熱ロール３２７および図示しない温風機構を備える。

転写系３３０は、ニップロール３３１，３３２，ヒートロール３３３，３３４およびＭＥＡ巻き取りロール３３５とから構成されている。支持体３６０、３６２として、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）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の材料によって形成された基材を利用できる。なお、実施例のＭＥＡの製造装置３００において、電解質膜および支持体の搬送方向の上流側、下流側とは、任意の位置に対する相対的な位置を表す。第１実施例において、アノード形成系３１０、カソード形成系３２０および転写系３３０は、それぞれ、特許請求の範囲における「連続形成部」、「間欠形成部」および「転写部」にあたる。また、支持体３６２は、特許請求の範囲における「支持体」にあたる。

触媒使用量の少ないアノード電極触媒層１２を電解質膜１０上に形成する（ステップＳ１４）。図４におけるアノード形成系３１０によって行われる工程である。図４に示すように、バックアップロール３１３には、予め、電解質膜１０が形成された支持体３６０が、電解質膜１０を外側にして巻き付けられている。支持体巻き取りロール３１９が支持体３６０を巻き取る方向に回転することに連動して、バックアップロール３１３が回転し、電解質膜１０が形成された支持体３６０がバックアップロール３１３から繰り出される。ダイ３１２のスリットからアノード触媒インクを吐出して、支持体３６０上の電解質膜１０の第１の面１６にアノード触媒インクをダイ塗工する。アノード触媒インクは、電解質膜１０の第１の面１６上に、連続的に延伸する帯状に塗工される。電解質膜１０の第１の面１６上にダイ塗工されたアノード触媒インクは、乾燥ゾーン３１６の加熱ロール３２７や図示しない温風機構によって加熱乾燥され、電解質膜１０の第１の面１６上にアノード電極触媒層１２として形成される。

アノード電極触媒層１２の形成と並行して、カソード電極触媒層１４を支持体３６２上に形成する（ステップＳ１６）。図４におけるカソード形成系３２０によって行われる工程である。図４に示すように、支持体３６２は、バックアップロール３２３、搬送ロール３２５、ニップロール３３１、ヒートロール３３３によって矢印Ｙ方向に搬送され、カソード形成系３２０と転写系３３０との間を循環している。ダイ３２２のスリットからカソード触媒インクを吐出して、支持体３６２上にカソード触媒インクをダイ塗工する。カソード触媒インクは、支持体３６２上に、同一間隔で間欠的に形成される。なお、同一間隔とは、公差を含む。支持体３６２上にダイ塗工されたカソード触媒インクは、乾燥ゾーン３２６の加熱ロール３２７や図示しない温風機構によって加熱乾燥され、カソード形成系３２０と転写系３３０との間を循環する支持体３６２の外側表面上にカソード電極触媒層１４として形成される。

アノード電極触媒層１２が形成されている第１の面１６とは反対側の電解質膜１０の第２の面１７に、支持体３６２に形成されているカソード電極触媒層１４を転写する（ステップＳ１８）。図４における転写系３３０によって行われる工程である。図４に示すように、第１の面１６上にアノード電極触媒層１２が形成された電解質膜１０は、搬送ロール３１５において支持体３６０から剥離され、第１の面１６と第２の面１７とが反転された状態で転写系３３０へ搬送される。また、カソード電極触媒層１４が形成された支持体３６２は、カソード電極触媒層１４を外側に向けた状態のまま、転写系３３０に搬送される。

転写系３３０において、ニップロール３３１、３３２は、アノード形成系３１０から搬送された帯状の電解質膜１０の第２の面１７と、カソード形成系３２０から搬送されたカソード電極触媒層１４が形成されている支持体３６２とを合流させ、互いに密着させて、両シートのしわや気泡を除去する。このとき、カソード電極触媒層１４が電解質膜１０の第２の面１７上に密着される。次いで、ヒートロール３３３、３３４は、カソード電極触媒層１４を電解質膜１０の第２の面１７上に圧着させる。ヒートロール３３３、３３４の下流側で、支持体３６２が電解質膜１０から剥離され、カソード電極触媒層１４が支持体３６２から電解質膜１０の第２の面１７上に転写される。実施例において、各ロールの回転速度、すなわち、支持体や電解質膜１０の搬送速度を一定とする。カソード電極触媒層１４は、支持体３６２上に略同一間隔で間欠的に形成されているので、こうすることにより、カソード電極触媒層１４は、第２の面１７上であって、第１の面１６に形成されているアノード電極触媒層１２と、電解質膜１０を挟んで重なる位置（対応する位置）に、一定の間隔で形成される。

電解質膜１０の第１の面１６上にアノード電極触媒層１２が形成され、第２の面１７上にカソード電極触媒層１４が形成された帯状の膜電極接合体２００は、ＭＥＡ巻き取りロール３３５によって巻き取られる。以上の製造工程を経て、膜電極接合体２００は完成する。膜電極接合体２００は、図１の破線に示すようにカソード電極触媒層１４が一つ含まれるように切断され、ＭＥＡ１００が製造される。

以上説明した第１実施例のＭＥＡ１００の製造方法によれば、カソード電極触媒層１４が間欠的に形成されるので、触媒の使用量を抑制でき、コストパフォーマンスを向上できる。また、アノード電極触媒層１２が連続的に形成されるので、カソード電極触媒層１４とアノード電極触媒層１２との位置合わせが不要となり、簡易な機構でＭＥＡ１００を製造できる。

第１実施例のＭＥＡ１００の製造方法によれば、カソード電極触媒層１４は、支持体３６２へ形成された後、第１の面１６にアノード電極触媒層１２が形成されている電解質膜１０の第２の面１７へ転写される。従って、電解質膜１０へのアノード電極触媒層１２の形成と、カソード電極触媒層１４の支持体３６２への形成を並列して行うことができ、製造時間の短縮を図ることができる。

第１実施例のＭＥＡ１００の製造方法によれば、カソード側に触媒使用量の多い電極触媒層を形成でき、発電効率を向上できる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、電解質膜の第１の面にアノード電極触媒層を形成する工程、支持体上にカソード電極触媒層を形成する工程、および、電解質膜の第２の面にカソード電極触媒層を転写する工程の各工程を、それぞれ個別に分割して行うことにより、ＭＥＡを製造する。なお、第２実施例において、ＭＥＡ、電解質膜、アノード電極触媒層、カソード電極触媒層については、第１実施例の符号を利用して、電解質膜１０、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４と表す。

Ｂ１．製造装置：
図５は、第２実施例におけるＭＥＡの製造装置について説明する説明図である。図５（ａ）は、アノード電極触媒層１２を電解質膜１０に形成するアノード形成系３１０ａについて示す。アノード形成系３１０ａは、ダイコーター３１１ａと、搬送ロール３１４ａ、３１５ａと、供給ロール３１８ａと、巻き取りロール３１９ａと、乾燥ゾーン３１６ａとから構成される。ダイコーター３１１ａは、ダイ３１２ａとバックアップロール３１３ａを有する。また、乾燥ゾーン３１６ａは、図示しない加熱ロール、温風機構を備える。

アノード形成系３１０ａでは、以下に説明する通りアノード電極触媒層１２が電解質膜１０上に形成される。供給ロール３１８ａには、予め、電解質膜１０が形成された支持体３６０が、電解質膜１０を外側にして巻き付けられている。巻き取りロール３１９ａが支持体３６０を巻き取る方向に回転することに連動して、供給ロール３１８ａが回転し、電解質膜１０が送り出され、ダイ３１２ａとバックアップロール３１３ａとの間に供給される。ダイ３１２ａのスリットからアノード触媒インクを吐出して、支持体３６０上の電解質膜１０の第１の面１６にアノード触媒インクをダイ塗工する。アノード触媒インクは、電解質膜１０の第１の面１６上に、連続的に延伸する帯状に塗工される。電解質膜１０の第１の面１６上にダイ塗工されたアノード触媒インクは、乾燥ゾーン３１６ａにおいて図示しない加熱ロールや温風機構によって加熱乾燥され、電解質膜１０の第１の面１６上にアノード電極触媒層１２として形成されたのち、巻き取りロール３１９ａに巻き取られる。

図５（ｂ）は、カソード電極触媒層１４を支持体３６２に形成するカソード形成系３２０ａについて示す。カソード形成系３２０ａは、ダイコーター３２１ａと、搬送ロール３２４ａ、３２５ａと、供給ロール３２８ａと、巻き取りロール３２９ａと、乾燥ゾーン３２６ａとから構成される。ダイコーター３２１ａは、ダイ３２２ａとバックアップロール３２３ａを有する。また、乾燥ゾーン３２６ａは、図示しない加熱ロール、温風機構を備える。なお、アノード形成系３１０ａとカソード形成系３２０ａとは、同一の機構を有する装置によって構成されているので、１つの装置を共有して利用してもよい。

カソード形成系３２０ａでは、以下に説明する通りカソード電極触媒層１４が電解質膜１０上に形成される。供給ロール３２８ａには、予め、支持体３６２が巻き付けられている。巻き取りロール３２９ａが支持体３６２を巻き取る方向に回転することに連動して、供給ロール３２８ａが回転し、支持体３６２が送り出され、ダイ３２２ａとバックアップロール３２３ａとの間に供給される。ダイ３２２ａのスリットからカソード触媒インクを吐出して、支持体３６２上にカソード触媒インクをダイ塗工する。カソード触媒インクは、アノード触媒インクよりも触媒の含有密度が高い。カソード触媒インクは、支持体３６２上に、略同一間隔で間欠的に塗工される。支持体３６２上にダイ塗工されたカソード触媒インクは、乾燥ゾーン３２６ａにおいて図示しない加熱ロールや温風機構によって加熱乾燥され、支持体３６２上にカソード電極触媒層１４として形成される。カソード電極触媒層１４が形成された支持体３６２は、巻き取りロール３２９ａに巻き取られる。

図５（ｃ）は、カソード電極触媒層１４を電解質膜１０に転写する転写系３３０ａについて示す。転写系３３０ａは、ニップロール３３１ａ，３３２ａ，ヒートロール３３３ａ，３３４ａ、ＭＥＡ巻き取りロール３３５ａ、供給ロール３３６ａ，３３７ａおよび巻き取りロール３３８ａ、３３９ａとから構成されている。

転写系３３０ａにおいて、供給ロール３３６ａから電解質膜１０が形成されている支持体３６０が供給される。電解質膜１０の第１の面１６には、予め、アノード形成系３１０ａにおいて、アノード電極触媒層１２が形成されている。アノード電極触媒層１２が形成されている電解質膜１０は、ニップロール３３１ａ、３３１ｂの上流側において支持体３６０から剥離され、ニップロール３３１ａ、３３２ａの間に搬送される。また、転写系３３０ａにおいて、供給ロール３３７ａから、カソード電極触媒層１４が形成されている支持体３６２が供給され、ニップロール３３１ａ、３３２ａの間に搬送される。このとき、電解質膜１０と支持体３６２は、電解質膜１０の第２の面１７とカソード電極触媒層１４とが対向するように搬送される。

ニップロール３３１ａ、３３２ａは、電解質膜１０と支持体３６２とを合流させ、互いに密着させて、両シートのしわや気泡を除去する。このとき、カソード電極触媒層１４が電解質膜１０の第２の面１７上に密着される。次いで、ヒートロール３３３ａ、３３４ａは、カソード電極触媒層１４を電解質膜１０の第２の面１７上に圧着させる。ヒートロール３３３ａ、３３４ａの下流側で、カソード電極触媒層１４が支持体３６２から剥離され、電解質膜１０の第２の面１７上に転写される。カソード電極触媒層１４が剥離された支持体３６２は、巻き取りロール３３９ａに巻き取られる。実施例において、各ロールの回転速度、すなわち、支持体や電解質膜１０の搬送速度を一定とする。支持体３６２上に略同一間隔で間欠的に形成されているので、こうすることにより、カソード電極触媒層１４は、第２の面１７上であって、第１の面１６に形成されているアノード電極触媒層１２と、電解質膜１０を挟んで重なる位置（対応する位置）に、一定の間隔で形成される。

電解質膜１０の第１の面１６上にアノード電極触媒層１２が形成され、第２の面１７上にカソード電極触媒層１４が形成された帯状の膜電極接合体２００は、ＭＥＡ巻き取りロール３３５ａによって巻き取られる。以上の製造工程を経て、膜電極接合体２００は完成する。膜電極接合体２００は、図１の破線に示すようにカソード電極触媒層１４が一つ含まれるように切断され、ＭＥＡ１００が製造される。第２実施例では、アノード形成系３１０ａが、特許請求の範囲の「第１の形成部」にあたり、カソード形成系３２０ａが特許請求の範囲の「間欠形成部」にあたり、転写系３３０ａが、特許請求の範囲の「転写部」にあたる。

以上説明した第２実施例のＭＥＡの製造装置によれば、カソード電極触媒層１４は、支持体３６２へ形成された後、第１の面１６にアノード電極触媒層１２が形成されている電解質膜１０の第２の面１７へ転写される。従って、電解質膜１０へのアノード電極触媒層１２の形成と、カソード電極触媒層１４の支持体３６２への形成を並列して行うことができ、製造時間の短縮を図ることができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、カソード電極触媒層１４およびアノード電極触媒層１２を、それぞれ、支持体上に形成した後、電解質膜１０の各々の面に転写することによりＭＥＡ１００を製造する。なお、第３実施例において、ＭＥＡ、電解質膜、アノード電極触媒層、カソード電極触媒層については、第１実施例の符号を利用して、電解質膜１０、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４と表す。

Ｃ１．製造工程：
図６は、第３実施例におけるＭＥＡの製造方法について説明する説明図である。図６（ｂ）は、アノード電極触媒層１２を支持体３６４に形成するアノード形成系３１０ｂについて示す。アノード形成系３１０ｂは、ダイコーター３１１ｂと、搬送ロール３１４ｂ、３１５ｂと、供給ロール３１８ｂと、巻き取りロール３１９ｂと、乾燥ゾーン３１６ｂとから構成される。ダイコーター３１１ｂは、ダイ３１２ｂとバックアップロール３１３ｂを有する。また、乾燥ゾーン３１６ｂは、図示しない加熱ロール、温風機構を備える。

アノード形成系３１０ｂでは、以下に説明する通りアノード電極触媒層１２が電解質膜１０上に形成される。供給ロール３１８ｂには、予め、支持体３６４が巻き付けられている。巻き取りロール３１９ｂが支持体３６４を巻き取る方向に回転することに連動して、供給ロール３１８ｂが回転し、支持体３６４が送り出され、ダイ３１２ｂとバックアップロール３１３ｂとの間に供給される。ダイ３１２ｂのスリットからアノード触媒インクを吐出して、支持体３６４上にアノード触媒インクをダイ塗工する。アノード触媒インクは、支持体３６４上に、連続的に延伸する帯状に塗工される。支持体３６４上にダイ塗工されたアノード触媒インクは、乾燥ゾーン３１６ｂにおいて図示しない加熱ロールや温風機構によって加熱乾燥され、支持体３６４上にアノード電極触媒層１２として形成されたのち、巻き取りロール３１９ｂに巻き取られる。

図６（ｂ）は、カソード電極触媒層１４を支持体３６２に形成するカソード形成系３２０ｂについて示す。カソード形成系３２０ｂは、ダイコーター３２１ｂと、搬送ロール３２４ｂ、３２５ｂと、供給ロール３２８ｂと、巻き取りロール３２９ｂと、乾燥ゾーン３２６ｂとから構成される。ダイコーター３２１ｂは、ダイ３２２ｂとバックアップロール３２３ｂを有する。また、乾燥ゾーン３２６ｂは、図示しない加熱ロール、温風機構を備える。なお、アノード形成系３１０ｂとカソード形成系３２０ｂとは、同一の機構を有する装置によって構成されているので、１つの装置を共有して利用してもよい。カソード形成系３２０ｂは、第２実施例のカソード形成系３２０ａと同様の機構、作用であるため、説明を省略する。カソード電極触媒層１４が形成された支持体３６２は巻き取りロール３２９ｂに巻き取られる。

図６（ｃ）は、アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１４を電解質膜１０に転写する転写系３３０ｂについて示す。転写系３３０ｂは、ニップロール３３１ｂ，３３２ｂ，ヒートロール３３３ｂ，３３４ｂ、ＭＥＡ巻き取りロール３３５ｂ、供給ロール３３６ｂ，３３７ｂと、巻き取りロール３３８ｂ、３３９ｂ、３４０ｂおよび電解質膜供給ロール３５０から構成されている。

転写系３３０ｂにおいて、電解質膜供給ロール３５０から電解質膜１０が形成された支持体３６０がニップロール３３１ｂ、３３２ｂの間に搬送されるとともに、カソード電極触媒層１４が形成されている支持体３６２がニップロール３３１ｂ、３３２ｂの間に搬送される。電解質膜１０と、支持体３６２は、電解質膜１０の第２の面１７とカソード電極触媒層１４とが対向するように搬送される。

ニップロール３３１ｂ、３３２ｂは、電解質膜１０の第２の面１７と、カソード電極触媒層１４が形成されている支持体３６２とを合流させ、互いに密着させて、両シートのしわや気泡を除去する。このとき、カソード電極触媒層１４が電解質膜１０の第２の面１７上に密着される。ニップロール３３１ｂ、３３２ｂの下流側、かつ、ヒートロール３３３ｂ、３３４ｂの上流側において、巻き取りロール３４０ｂに支持体３６０が巻き取られ、電解質膜１０の第１の面１６が露出する。

密着された電解質膜１０と支持体３６２はヒートロール３３３ｂ、３３４ｂの間に搬送される。ヒートロール３３３ｂ、３３４ｂの間には、更に、アノード電極触媒層１２が電解質膜１０の第１の面１６に対向するように、供給ロール３３６ｂから支持体３６４が搬送される。

ヒートロール３３３ｂ、３３４ｂは、カソード電極触媒層１４を電解質膜１０の第２の面１７上に圧着させるとともに、アノード電極触媒層１２を第１の面１６上に圧着させる。ヒートロール３３３ｂ、３３４ｂの下流側で、カソード電極触媒層１４が支持体３６２から剥離され、電解質膜１０の第２の面１７上に転写されるとともに、アノード電極触媒層１２が支持体３６４から剥離され、電解質膜１０の第１の面１６上に転写される。カソード電極触媒層１４が剥離された支持体３６２は、巻き取りロール３３９ｂに巻き取られ、アノード電極触媒層１２が剥離された支持体３６４は、巻き取りロール３３８ｂに巻き取られる。実施例において、各ロールの回転速度、すなわち、支持体や電解質膜１０の搬送速度を一定とする。カソード電極触媒層１４は、支持体３６２上に略同一間隔で間欠的に形成されているので、こうすることにより、カソード電極触媒層１４は、第２の面１７上に、一定の間隔で形成される。また、アノード電極触媒層１２は連続的な帯状に形成されているので、アノード電極触媒層１２と位置合わせをする必要なくカソード電極触媒層１４を電解質膜１０に転写できる。

電解質膜１０の第１の面１６上にアノード電極触媒層１２が形成され、第２の面１７上にカソード電極触媒層１４が形成された帯状のＭＥＡ２００は、ＭＥＡ巻き取りロール３３５ｂによって巻き取られる。以上の製造工程を経て、ＭＥＡ２００は完成する。ＭＥＡ２００は、図１の破線に示すようにカソード電極触媒層１４が一つ含まれるように切断され、ＭＥＡ１００が製造される。なお、第３実施例において、アノード形成系３１０ｂは特許請求の範囲における「連続形成部」にあたり、カソード形成系３２０ｂは特許請求の範囲における「間欠形成部」にあたり、転写系３３０ｂは、特許請求の範囲における「第１の転写部」および「第２の転写部」にあたる。また、支持体３６２、３６４は、それぞれ、特許請求の範囲における「第２の支持体」、「第１の支持体」にあたる。

第３実施例のＭＥＡの製造方法によればアノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４ともに、支持体３６４，３６２に形成された後、電解質膜１０に転写される。従って、カソード電極触媒層１４およびアノード電極触媒層１２を形成するための装置を共有することができる。よって、製造コストを削減できる。

Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
上述した各実施例では、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４の少なくとも一方を支持体上に形成したのち、電解質膜１０へ転写してＭＥＡ１００を製造しているが、例えば、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４の双方を、それぞれ、膜電極接合体１０に直接塗布することによりＭＥＡ１００を製造してもよい。

Ｄ２．変形例２：
上述した各実施例では、アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１４をダイ塗工により形成しているが、例えば、触媒インクの支持体への塗布は、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あるいはインクジェット法により行なうことができる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。

１０…電解質膜
１０ａ…発電領域
１２…アノード電極触媒層
１４…カソード電極触媒層
１５…外周端
１６…第１の面
１７…第２の面
５０…アノード側セパレータ
５１…燃料ガス供給孔
５２…燃料ガス排出口
５３…酸化ガス供給孔
５４…酸化ガス排出孔
５５…冷却水供給孔
５６…冷却水排出孔
６０…カソード側セパレータ
１００、２００…膜電極接合体
３００…製造装置
３１０、３１０ａ、３１０ｂ…アノード形成系
３１１、３１１ａ、３１１ｂ…ダイコーター
３１２、３１２ａ、３１２ｂ…ダイ
３１３、３１３ａ、３１３ｂ…バックアップロール
３１４ａ、３１４ｂ、３１５…搬送ロール
３１６、３１６ａ、３１６ｂ…乾燥ゾーン
３１７…加熱ロール
３１８ａ、３１８ｂ…供給ロール
３１９、３１９ａ、３１９ｂ…支持体巻き取りロール
３２０、３２０ａ、３２０ｂ…カソード形成系
３２１、３２１ａ、３２１ｂ…ダイコーター
３２２、３２２ａ、３２２ｂ…ダイ
３２３、３２３ａ、３２３ｂ…バックアップロール
３２４ａ、３２４ｂ、３２５…搬送ロール
３２６、３２６ａ、３２６ｂ…乾燥ゾーン
３２７…加熱ロール
３２８ａ、３２８ｂ…供給ロール
３２９、３２９ａ、３２９ｂ…巻き取りロール
３３０、３３０ａ、３３０ｂ…転写系
３３１、３３１ａ、３３１ｂ…ニップロール
３３３、３３３ａ、３３３ｂ…ヒートロール
３３５、３３５ａ、３３５ｂ…ＭＥＡ巻き取りロール
３３６ａ、３３６ｂ、３３７ａ…供給ロール
３３８ａ、３３８ｂ、３３９ａ、３３９ｂ、３４０ｂ…巻き取りロール
３５０…電解質膜供給ロール
３６０、３６２、３６４…支持体

Claims (8)

1. 膜電極接合体の製造方法であって、
   触媒が担持された第１の電極触媒層を、電解質膜の第１の面上に、連続的に形成する工程と、
   触媒が担持された第２の電極触媒層であって、前記第１の電極触媒層よりも単位面積あたりの触媒の含有密度が高い第２の電極触媒層を、前記第１の面とは異なる前記電解質膜の第２の面上に、間欠的に形成する工程と、
   を備える膜電極接合体の製造方法。
2. 請求項１記載の膜電極接合体の製造方法であって、
   前記第２の電極触媒層を形成する工程は、
   前記第２の電極触媒層を支持体に間欠的に形成する工程と、
   前記支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する工程と、を含む膜電極接合体の製造方法。
3. 請求項１記載の膜電極接合体の製造方法であって、
   前記第１の電極触媒層を形成する工程は、
   前記第１の電極触媒層を第１の支持体に連続的に形成する工程と、
   前記第１の支持体に形成された前記第１の電極触媒層を、前記電解質膜の前記第１の面上に転写する工程と、を含み、
   前記第２の電極触媒層を形成する工程は、
   前記第２の電極触媒層を第２の支持体に間欠的に形成する工程と、
   前記第２の支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する工程と、を含む膜電極接合体の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３いずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、
   前記第２の電極触媒層は、燃料電池の発電反応が生じる領域である発電領域と略同一形状を有するように形成される、膜電極接合体の製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４いずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、
   前記第１の電極触媒層は、アノード側の電極触媒層であり、
   前記第２の電極触媒層は、カソード側の電極触媒層である、
   膜電極接合体の製造方法。
6. 膜電極接合体の製造装置であって、
   触媒が担持された第１の電極触媒層を、電解質膜の第１の面上に、連続的に形成する第１の形成部と、
   触媒が担持された第２の電極触媒層であって、前記第１の電極触媒層よりも単位面積あたりの触媒の含有密度が高い第２の電極触媒層を、前記第１の面とは異なる前記電解質膜の第２の面上に、間欠的に形成する第２の形成部と、
   を備える膜電極接合体の製造装置。
7. 請求項６記載の膜電極接合体の製造装置であって、
   前記第２の形成部は、
   前記第２の電極触媒層を支持体に間欠的に形成する間欠形成部と、
   前記支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する転写部と、を含む膜電極接合体の製造装置。
8. 請求項６記載の膜電極接合体の製造装置であって、
   前記第１の形成部は、
   前記第１の電極触媒層を第１の支持体に連続的に形成する連続形成部と、
   前記第１の支持体に形成された前記第１の電極触媒層を、前記電解質膜の前記第１の面上に転写する第１の転写部と、を含み、
   前記第２の形成部は、
   前記第２の電極触媒層を第２の支持体に間欠的に形成する間欠形成部と、
   前記第２の支持体に形成された前記第２の電極触媒層を、前記第１の電極触媒層が形成されている前記電解質膜の前記第２の面上に転写する第２の転写部と、を含む膜電極接合体の製造装置。

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