JP2015069739A - 膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な生産性を維持しつつ、皺の発生を抑制することができる膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】膜・触媒層接合体の製造装置１は、第１処理ユニット１０と第２処理ユニット２０とを備える。第１処理ユニット１０にて電解質膜２の表面に電極インクを塗工して乾燥処理を行うことにより当該表面に触媒層を形成する。次いで、第２処理ユニット２０にて電解質膜２の裏面に上記とは逆極性の電極インクを塗工して乾燥処理を行うことにより当該裏面にも触媒層を形成する。続いて、表裏両面に触媒層が形成された電解質膜２に給水部６０から純水を供給して電解質膜２を保水状態とし、その電解質膜２を第２巻取ローラ８５によって巻き取る。塗工領域であるか非塗工領域であるかにかかわらず保水状態とすることにより、電解質膜２全体を膨潤させて皺の発生を抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、帯状の電解質膜の両面に触媒電極層を形成した燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法に関する。

近年、自動車、家庭用、携帯電話などの駆動電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料に含まれる水素（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電力を作り出す発電システムであり、発電効率が高く環境への負荷も軽いという特長を有する。

燃料電池には、使用する電解質によって幾つかの種類が存在しているが、そのうちの一つに電解質としてイオン交換膜（電解質膜）を用いた固体高分子形燃料電池（PEFC:Polymer electrolyte fuel cell）がある。固体高分子形燃料電池は、常温での動作および小型軽量化が可能であるため、自動車や携帯機器への適用が期待されている。

固体高分子形燃料電池のセルに使用される膜・触媒層接合体（CCM:Catalyst-coated membrane）は、電解質の薄膜の両面に機能層として触媒層を形成した複合膜である。その膜・触媒層接合体の両側にガス拡散層、セパレーターを配置することで単位セルが構成される。かかる膜・触媒層接合体は、白金（Ｐｔ）を含む触媒をアルコールなどの溶媒中に分散させた電極インク（電極ペースト）を電解質膜の表面に塗工することによって作製される。ところが、電解質膜は電極インクに含まれる溶媒や雰囲気中の水分を容易に吸収して膨潤・収縮を生じ易いという性質を有している。このため、電極インクを塗工して乾燥するときに電解質膜に皺やピンホールが発生するという問題があった。電解質膜に皺やピンホールが発生すると燃料電池の発電性能が低下することとなる。

このような問題を解決するために、以下のような様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、作業環境の湿度を３０％〜６０％に調整して電解質膜に敢えて吸湿させることにより皺の発生を防止する技術が開示されている。また、特許文献２には、電解質膜を加熱しながら湿度を周期的に変動させることによって外周端部に発生した皺を除去することが開示されている。特許文献３には、水およびエタノールの高温・高圧の蒸気を電解質膜に含浸させるスチームプレスによって皺の発生を抑制することが開示されている。特許文献４には、電極インクの塗工部のみならず、非塗工部にも溶媒を浸透させて電解質膜の全体に溶媒を含浸させることにより皺の発生を防止する技術が開示されている。さらに、特許文献５には、膨潤液を浸潤させた電解質膜の外周部をワークで固定することによって皺の発生を防止することが開示されている。

特開２０１２−１６４４２２号公報 特開２０１２−１１３９２１号公報 特開２００９−２７７４４２号公報 特開２００７−２９４１８３号公報 特開２００６−３１０２３７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、電解質膜の片面のみに電極ペーストを塗工して電極層を形成した状態で吸湿が行われている。固体高分子形燃料電池のセルとして使用するためには、電解質膜の表面および裏面に電極層（アノード電極およびカソード電極）を形成する必要があるため、特許文献１に開示される技術にて巻き取られた電解質膜に対しては、さらに次工程で電解質膜の反対面に電極層を形成しなければならない。この工程で、電解質膜が再度巻き出されて搬送されるときに膜内の保水量が変化して電解質膜の収縮が生じ、塗工部と非塗工部との収縮差に起因した皺が発生するおそれがある。

また、特許文献２〜特許文献５に開示される技術では、高温の蒸気を発生させたり、ワークで電解質膜を固定させる必要があるため、処理工程が複雑になって生産性が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、良好な生産性を維持しつつ、皺を防止することができる膜・触媒層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。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、帯状の電解質膜の両面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造装置において、前記電解質膜の一方面に触媒層を形成する第１成膜部と、前記電解質膜の他方面に触媒層を形成する第２成膜部と、両面に触媒層が形成された前記電解質膜に水分を供給する給水部と、前記給水部からの給水によって保水された状態の前記電解質膜を巻き取る巻取り部と、を備え、前記給水部は、前記電解質膜の前記一方面および前記他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記電解質膜から余剰の水分を除去する水除去部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、保水された状態の前記電解質膜から皺を除去する皺取りローラをさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記巻取り部によって巻き取られる前記電解質膜の張力を一定に保つダンサーローラをさらに備えることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記巻取り部によって巻き取られる前記電解質膜に合紙を供給して挟み込ませる合紙供給部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記給水部は、ミスト状の水分を前記電解質膜に吹き付けるミストスプレーを有することを特徴とする。

また、請求項７の発明は、帯状の電解質膜の両面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造方法において、前記電解質膜の一方面に触媒層を形成する第１成膜工程と、前記電解質膜の他方面に触媒層を形成する第２成膜工程と、両面に触媒層が形成された前記電解質膜に水分を供給する給水工程と、前記給水工程での給水によって保水された状態の前記電解質膜を巻き取る巻取り工程と、を備え、前記給水工程では、前記電解質膜の前記一方面および前記他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給することを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記電解質膜から余剰の水分を除去する水除去工程をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、保水された状態の前記電解質膜から皺取りローラによって皺を除去する皺取り工程をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項７から請求項９のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記巻取り工程にて巻き取られる前記電解質膜の張力をダンサーローラによって一定に保つことを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記巻取り工程にて巻き取られる前記電解質膜に合紙を供給して挟み込ませることを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項７から請求項１１のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記給水工程では、ミストスプレーからミスト状の水分を前記電解質膜に吹き付けることを特徴とする。

請求項１から請求項６の発明によれば、電解質膜の一方面および他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給して保水された状態の電解質膜を巻き取るため、複雑な処理を行うことなく電解質膜の全体を膨潤させて皺を解消することができ、良好な生産性を維持しつつ、皺を防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、保水された状態の電解質膜から皺を除去する皺取りローラをさらに備えるため、電解質膜の保水だけでは完全に解消されなかった皺をも確実に解消することができる。

特に、請求項４の発明によれば、巻取り部によって巻き取られる電解質膜の張力を一定に保つダンサーローラをさらに備えるため、張力のバラツキに起因した皺を防止することができる。

特に、請求項５の発明によれば、巻取り部によって巻き取られる電解質膜に合紙を供給して挟み込ませる合紙供給部をさらに備えるため、極性の異なる触媒層の接触を防止することができる。

特に、請求項６の発明によれば、給水部は、ミスト状の水分を電解質膜に吹き付けるミストスプレーを有するため、水分供給による電解質膜の汚染を防止することができる。

請求項７から請求項１２の発明によれば、電解質膜の一方面および他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給して保水された状態の電解質膜を巻き取るため、複雑な処理を行うことなく電解質膜の全体を膨潤させて皺を解消することができ、良好な生産性を維持しつつ、皺を防止することができる。

特に、請求項９の発明によれば、保水された状態の電解質膜から皺取りローラによって皺を除去するため、電解質膜の保水だけでは完全に解消されなかった皺をも確実に解消することができる。

特に、請求項１０の発明によれば、巻取り工程にて巻き取られる電解質膜の張力をダンサーローラによって一定に保つため、張力のバラツキに起因した皺を防止することができる。

特に、請求項１１の発明によれば、巻取り工程にて巻き取られる電解質膜に合紙を供給して挟み込ませるため、極性の異なる触媒層の接触を防止することができる。

特に、請求項１２の発明によれば、ミストスプレーからミスト状の水分を電解質膜に吹き付けるため、水分供給による電解質膜の汚染を防止することができる。

本発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置の全体概略構成を示す図である。 吸着ローラおよび第２乾燥炉の構成を示す図である。 吸着ローラおよび第２乾燥炉の正面図である。 製造装置において膜・触媒層接合体が製造される手順を示すフローチャートである。 製造装置において膜・触媒層接合体が製造される手順を示すフローチャートである。 電解質膜の表面に電極インクが間欠塗工された状態を示す平面図である。 表面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。 第１プレスローラによってバックシートを剥離して電解質膜を吸着ローラに吸着させる様子を示す図である。 表裏両面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。 表裏両面に触媒層が形成された電解質膜に純水が供給された状態を示す断面図である。 電解質膜が皺取りローラに接触した状態を示す図である。 水分供給および水除去の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置１の全体概略構成を示す図である。この膜・触媒層接合体の製造装置１は、帯状の電解質膜２の表面および裏面に電極インク（電極ペースト）を塗工し、その電極インクを乾燥させて電解質膜２の両面に触媒層（電極層）を形成して固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体５を製造する装置である。なお、図１および以降の各図には、それらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を適宜付している。また、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

製造装置１は、電解質膜２の表面側の成膜処理を行う第１処理ユニット１０、および、裏面側の成膜処理を行う第２処理ユニット２０を備える。また、製造装置１は、第１処理ユニット１０および第２処理ユニット２０の全体を管理する制御部９０を備える。

第１処理ユニット１０は、第１巻出ローラ１１、表面塗工ノズル１２、第１乾燥炉１３および第１巻取ローラ１４を備え、電解質膜２の表面に電極インクを塗工して触媒層を形成する。なお、電解質膜２の表面とは、電解質膜２の２つの面のうちの一方面であり、アノード電極またはカソード電極のいずれか一方の触媒層が形成される。また、電解質膜２の裏面とは、表面の反対側の他方面であり、表面とは異なる極性の触媒層が形成される。すなわち、表面および裏面は、電解質膜２の両面を単に識別するための表記であり、いずれか特定の面が表面または裏面に限定されるものではない。

第１巻出ローラ１１は、バックシート６付きの電解質膜２が巻回されており、そのバックシート６付きの電解質膜２を連続的に送り出す。バックシート６付きの電解質膜２は、第１巻出ローラ１１から送り出されて第１巻取ローラ１４によって巻き取られることにより、表面塗工ノズル１２および第１乾燥炉１３の順にロールトゥロール方式にて連続して搬送される。第１処理ユニット１０では、電解質膜２がその表面を上側に向けて搬送される。

電解質膜２としては、従来より固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体用途に用いられているフッ素系や炭化水素系などの高分子電解質膜を使用することができる。例えば、電解質膜２として、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、ゴア(Gore)社製のGoreselect（登録商標）など）を使用することができる。

上記の電解質膜２は、非常に薄くて機械的強度が弱く、大気中の少量の湿気によっても容易に膨潤する一方で湿度が低くなると収縮する特性を有しており、極めて変形しやすい。このため、第１巻出ローラ１１には、電解質膜２の変形を防止するために初期状態としてバックシート６付きの電解質膜２が巻回されている。バックシート６としては、機械的な強度に富んで形状保持機能に優れた樹脂材料、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを用いることができる。本実施形態では、電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされている。

第１巻出ローラ１１に巻回された初期状態のバックシート６付き電解質膜２において、電解質膜２の膜厚は５μｍ〜３０μｍであり、幅は最大で３００ｍｍ程度である。また、バックシート６の膜厚は２５μｍ〜１００μｍであり、その幅は電解質膜２の幅より若干大きい。なお、バックシート６の幅は電解質膜２の幅と同じであっても良い。

第１巻出ローラ１１から第１巻取ローラ１４へと向かう電解質膜２の搬送経路の上方に表面塗工ノズル１２が設けられている。表面塗工ノズル１２は、先端（（−Ｚ）側の端部）にスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。そのスリット状の吐出口の長手方向はＹ軸方向である。表面塗工ノズル１２は、スリット状の吐出口が電解質膜２の搬送経路から所定間隔を隔てる位置に設けられている。また、表面塗工ノズル１２は、図示しない駆動機構によって位置および姿勢が調整可能に設けられている。

表面塗工ノズル１２には、図外の塗工液供給機構から塗工液として電極インクが供給される。本実施形態で使用される電極インクは、例えば、触媒粒子、イオン伝導性電解質および分散媒を含有する。触媒粒子としては、公知または市販のものを使用することができ、高分子形燃料電池のアノードまたはカソードにおける燃料電池反応を起こさせるものであれば特に限定されず、例えば白金（Ｐｔ）、白金合金、白金化合物等を用いることができる。このうち白金合金としては、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）等からなる群から選択された少なくとも１種の金属と白金との合金を挙げることができる。一般的には、カソード用の電極インクの触媒粒子には白金、アノード用の電極インクの触媒粒子には上述の白金合金が用いられる。

また、触媒粒子は、触媒微粒子が炭素粉に担持された、いわゆる触媒担持炭素粉であっても良い。触媒担持炭素の平均粒子径は、通常１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、好ましくは２０ｎｍ〜８０ｎｍ程度、最も好ましくは４０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。触媒微粒子を担持する炭素粉は特に制限されるものではなく、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。これらは、１種単独で使用しても良いし、２種以上併用しても良い。

上記のような触媒粒子に溶媒を加えてスリットノズルから塗布可能なペーストとする。溶媒としては、水、エタノール、ｎ−プロパノールおよびｎ−ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系およびフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。

さらに、溶媒中に触媒粒子を分散させた溶液にイオン交換基を有する高分子電解質溶液を加える。一例として、白金を５０ｗｔ％担持したカーボンブラック（田中貴金属工業（株）製の「TEC10E50E」）を水、エタノールおよび高分子電解質溶液（米国DuPont社製のNafion液「D2020」）に分散させて電極インクを得ることができる。このようにして混合されたペーストを電極インクとして表面塗工ノズル１２に供給する。

表面塗工ノズル１２は、供給された上述の如き電極インクを吐出口から吐出して連続搬送される電解質膜２の表面に塗工する。表面塗工ノズル１２は、連続して電極インクを吐出するときには連続塗工を行うことができ、断続的に電極インクを吐出するときには間欠塗工を行うことができる。

第１乾燥炉１３は、電解質膜２の搬送経路の経路途中であって、表面塗工ノズル１２よりも下流側に設置されている。第１乾燥炉１３は、その内部を通過する電解質膜２に熱風を吹き付けて加熱することによって、電解質膜２の表面に塗工された電極インクの乾燥処理を行う。この乾燥処理によって電極インクから溶剤が蒸発して触媒層９が形成される（図７参照）。第１乾燥炉１３としては、公知の熱風乾燥炉を用いることができる。

第１乾燥炉１３を通過した電解質膜２は第１巻取ローラ１４によって巻き取られる。第１巻取ローラ１４は、裏面にバックシート６が貼り合わされたまま表面のみに触媒層９が形成された電解質膜２を巻き取る。また、第１巻取ローラ１４は、第１巻出ローラ１１から送り出された電解質膜２に一定の張力を与える。

第２処理ユニット２０は、電解質膜２の裏面側の成膜処理を行うための主たる要素として、電解質膜２からバックシート６を剥離する剥離部３０と、電解質膜２を吸着支持して搬送する吸着ローラ２１と、電解質膜２の裏面に電極インクを塗工する裏面塗工ノズル４０と、塗工された電極インクを加熱して乾燥させる第２乾燥炉５０と、を備える。また、第２処理ユニット２０は、皺防止処理のための主たる要素として、両面に触媒層９が形成された電解質膜２に水分を供給する給水部６０と、電解質膜２の張力を一定に保つダンサーローラ６９と、電解質膜２から余剰の水分を除去する水除去部７０と、電解質膜２から皺を除去する皺取りローラ８０と、を備える。

剥離部３０は第１プレスローラ３１を備える。また、第２処理ユニット２０は、第２巻出ローラ３２、補助ローラ３３およびバックシート巻取ローラ３４を備える。第２巻出ローラ３２には、第１処理ユニット１０の第１巻取ローラ１４によって巻き取られた電解質膜２のロールが装着される。すなわち、第２巻出ローラ３２に巻回される電解質膜２の裏面にはバックシート６が貼り合わされるとともに、表面には触媒層９が形成されている。第２巻出ローラ３２は、そのような電解質膜２を連続的に送り出す。

第２巻出ローラ３２から送り出された電解質膜２は、補助ローラ３３に懸架され、第１プレスローラ３１によって吸着ローラ２１に押し付けられる。第１プレスローラ３１は、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２１の外周面から所定の間隔を隔てた位置に近接支持されている。第１プレスローラ３１と吸着ローラ２１の外周面との間隔は、バックシート６付き電解質膜２の厚さよりも小さい。従って、バックシート６付き電解質膜２が第１プレスローラ３１と吸着ローラ２１との間を通過するときに、触媒層９を含む電解質膜２の表面が吸着ローラ２１に押し付けられる。第１プレスローラ３１がバックシート６付き電解質膜２を吸着ローラ２１に押し付ける力は、上記のシリンダーによって第１プレスローラ３１と吸着ローラ２１との間隔を調整することによって制御される。

第１プレスローラ３１が電解質膜２の表面を吸着ローラ２１に押し付けることによって、電解質膜２は吸着ローラ２１の外周面に吸着される。このとき、バックシート６は電解質膜２の裏面から剥離され、バックシート巻取ローラ３４に巻き取られる。すなわち、剥離部３０の第１プレスローラ３１は、バックシート６付きの電解質膜２からバックシート６を剥離するとともに、電解質膜２を吸着ローラ２１に押し付けて吸着させる役割を担っている。バックシート巻取ローラ３４は、図示省略のモータによって連続的に回転されることにより、バックシート６を連続的に巻き取るとともに、第２巻出ローラ３２から補助ローラ３３を経て第１プレスローラ３１に至るバックシート６付き電解質膜２に一定の張力を与える。

吸着ローラ２１は、中心軸がＹ軸方向に沿うように設置された円柱形状の部材である。吸着ローラ２１の大きさは、例えば、高さ（Ｙ軸方向の長さ）が４００ｍｍであり、直径が４００ｍｍ〜１６００ｍｍである。吸着ローラ２１は、図示省略のモータによってＹ軸方向に沿った中心軸を回転中心として図１中矢印ＡＲ１に示す向きに回転される。

吸着ローラ２１は、多孔質カーボンまたは多孔質セラミックスにて形成された多孔質ローラである。多孔質セラミックスとしては、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体を用いることができる。多孔質の吸着ローラ２１における気孔径は５μｍ以下であり、気孔率は１５％〜５０％の範囲内である。また、吸着ローラ２１の外周面（円柱の周面）の表面粗さは、Ｒｚ（最大高さ）が５μｍ以下であり、この値は小さいほど好ましい。さらに、回転時の吸着ローラ２１の全振れ（回転軸から外周面までの距離の変動）は１０μｍ以下とされている。

図２は、吸着ローラ２１および第２乾燥炉５０の構成を示す図である。吸着ローラ２１の上面および／または底面には吸引口２３が設けられている。吸引口２３は、図外の吸引機構（例えば、排気ポンプ）によって吸引されて負圧が与えられる。吸着ローラ２１は、気孔率が１５％〜５０％の多孔質であるため、吸引口２３に負圧が付与されると、内部の気孔を介して吸着ローラ２１の外周面にも所定値の負圧（周辺雰囲気から外周面に吸引する圧力）が均一に作用することとなる。例えば、本実施形態では、吸引口２３に９０ｋＰａ以上の負圧が付与されることによって、吸着ローラ２１の外周面には１０ｋＰａ以上の負圧が均一に作用することとなる。これにより、吸着ローラ２１は、電解質膜２を幅方向（Ｙ軸方向）の全域にわたって均等に吸着することができる。

また、吸着ローラ２１には、複数の水冷管２２が設けられている。水冷管２２は、吸着ローラ２１の内部を巡るように均一な配設密度にて設けられている。水冷管２２には図外の給水機構から所定温度に温調された恒温水が供給される。水冷管２２の内部を流れた恒温水は図外の排液機構へと排出される。水冷管２２に恒温水を流すことによって、吸着ローラ２１は冷却されることとなる。

図１に戻り、吸着ローラ２１の外周面に対向して裏面塗工ノズル４０が設けられている。裏面塗工ノズル４０は、吸着ローラ２１による電解質膜２の搬送方向において、第１プレスローラ３１よりも下流側に設けられている。裏面塗工ノズル４０は、先端（（＋Ｘ）側の端部）にスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。そのスリット状の吐出口の長手方向はＹ軸方向である。裏面塗工ノズル４０は、スリット状の吐出口が吸着ローラ２１の外周面から所定間隔を隔てる位置に設けられている。また、裏面塗工ノズル４０は、図示しない駆動機構によって吸着ローラ２１に対する位置および姿勢が調整可能に設けられている。

裏面塗工ノズル４０には、図外の塗工液供給機構から塗工液として電極インクが供給される。裏面塗工ノズル４０に供給される電極インクは、上述したのと同様のものであるが、表面塗工ノズル１２に供給される電極インクとは逆極性である。例えば、表面塗工ノズル１２にアノード用の電極インクが供給される場合には、裏面塗工ノズル４０にはカソード用の電極インクが供給される。

裏面塗工ノズル４０は、供給された電極インクを吐出口から吐出して吸着ローラ２１によって吸着搬送される電解質膜２の裏面に塗工する。表面塗工ノズル１２と同様に、裏面塗工ノズル４０は、連続して電極インクを吐出するときには連続塗工を行うことができ、断続的に電極インクを吐出するときには間欠塗工を行うことができる。但し、第１処理ユニット１０にて表面塗工ノズル１２が連続塗工を行ったときには裏面塗工ノズル４０も連続塗工を行い、表面塗工ノズル１２が間欠塗工を行ったときには裏面塗工ノズル４０も間欠塗工を行う。

第２乾燥炉５０は、吸着ローラ２１の外周面の一部を覆うように設けられている。図２に示すように、第２乾燥炉５０は、３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３、および、２つの熱遮断ゾーン５４，５５の合計５つのゾーンに分割されている。３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３のそれぞれは、図外の熱風送風部からの熱風送風により、吸着ローラ２１の外周面に向けて熱風を吹き付ける。第２乾燥炉５０からの熱風の吹き付けによって、電解質膜２の裏面に塗工された電極インクが乾燥される。

３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３は、吹き付ける熱風の温度が異なる。３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３が吹き付ける熱風の温度は、吸着ローラ２１による電解質膜２の搬送方向の上流側から下流側に向けて（図２の紙面上にて時計回りに）順次高くなる。例えば、最も上流側の乾燥ゾーン５１の熱風温度は室温〜４０℃であり、中間の乾燥ゾーン５２の熱風温度は４０℃〜８０℃であり、最も下流側の乾燥ゾーン５３の熱風温度は５０℃〜１００℃である。

２つの熱遮断ゾーン５４，５５は、電解質膜２の搬送方向に沿って乾燥ゾーン５１，５２，５３の両端に設けられている。熱遮断ゾーン５４は乾燥ゾーン５１の上流側に設けられ、熱遮断ゾーン５５は乾燥ゾーン５３の下流側に設けられている。２つの熱遮断ゾーン５４，５５は、図外の排気部からの排気により、吸着ローラ２１の外周面近傍の雰囲気を吸引する。これによって、乾燥ゾーン５１，５２，５３から吹き出された熱風が第２乾燥炉５０を超えて吸着ローラ２１の上流側および下流側に流れ出るのを防止するとともに、乾燥時に電極インクから生じた溶媒蒸気などが第２乾燥炉５０の外部に漏出するのを防止することができる。なお、少なくとも上流側の熱遮断ゾーン５４が設けられていれば、乾燥ゾーン５１，５２，５３から吹き出された熱風が裏面塗工ノズル４０に流れ込んで吐出口近傍を乾燥させることに起因した塗工不良の発生を防止することができる。

図３は、吸着ローラ２１および第２乾燥炉５０の正面図である。第２乾燥炉５０には、吸着ローラ２１の幅方向（Ｙ軸方向）に沿った両端にも吸引部５６，５７が設けられている。吸引部５６，５７は、熱遮断ゾーン５４，５５と同様に、周辺の雰囲気を吸引する。これによって、乾燥炉４０の幅方向両端から漏出しようとする熱風および溶媒蒸気などをも吸引回収することができる。

図１に戻り、吸着ローラ２１による電解質膜２の搬送方向に沿って第２乾燥炉５０よりも下流側に第２プレスローラ３９が設けられている。第２プレスローラ３９は、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２１の外周面から所定の間隔を隔てた位置に近接支持されている。第２プレスローラ３９と吸着ローラ２１の外周面との間隔は、乾燥処理後の電解質膜２の厚さ（電解質膜２と表裏両面の触媒層９との合計厚さ）よりも小さい。従って、乾燥処理後の電解質膜２が第２プレスローラ３９と吸着ローラ２１との間を通過するときに、触媒層９を含む電解質膜２の裏面が第２プレスローラ３９に押し付けられる。

電解質膜２の裏面が第２プレスローラ３９に押し付けられることによって、電解質膜２は吸着ローラ２１から剥離されて第２プレスローラ３９に巻き付けられてさらに下流側へと送り出される。なお、第１プレスローラ３１および第２プレスローラ３９は、吸着ローラ２１と同程度の幅を有する金属ローラであっても良いし、樹脂製のローラであっても良い。また、第１プレスローラ３１および第２プレスローラ３９の径は適宜のものとすることができる。

第２処理ユニット２０には、さらに追加乾燥炉５９、第２巻取ローラ８５および合紙供給ローラ８８が設けられている。第２プレスローラ３９から送り出された電解質膜２が第２巻取ローラ８５によって巻き取られることにより、電解質膜２は追加乾燥炉５９、ダンサーローラ６９、給水部６０、水除去部７０、皺取りローラ８０の順に連続して搬送される。

追加乾燥炉５９は、第２プレスローラ３９とダンサーローラ６９との間に配置されている。追加乾燥炉５９としては、公知の熱風乾燥炉を用いることができる。第２プレスローラ３９によって送り出された電解質膜２が追加乾燥炉５９を通過することによって触媒層９の仕上げの乾燥が行われる。電解質膜２の両面の触媒層９が完全に乾燥されることによって膜・触媒層接合体５として完成する。

ダンサーローラ６９は、追加乾燥炉５９の下流側に配置されている。ダンサーローラ６９は、一対の位置固定のローラ６８，６８の間に設けられた上下方向に可動のローラである。ダンサーローラ６９は、上下方向についての位置が拘束されていないため、その高さ位置にかかわらず常に一定の張力を電解質膜２に与える。ダンサーローラ６９には、張力を調整するための錘が付設されていても良い。

給水部６０は、ダンサーローラ６９の下流側に設けられている。本実施形態の給水部６０は、電解質膜２の搬送経路の上下に一対のミストスプレー６１，６１を備える。一対のミストスプレー６１，６１には、図外の純水供給源から純水が送給される。一対のミストスプレー６１，６１は、給水部６０を通過する電解質膜２の表面および裏面に対してミスト状の純水（純水の微小液滴）を吹き付ける。給水部６０が電解質膜２に対して供給する水分の流量は、電解質膜２が給水部６を通過している間に電解質膜２の表面および裏面から水膜が現出する程度である。

水除去部７０は、給水部６０の下流側に設けられている。本実施形態の水除去部７０は、電解質膜２の搬送経路の上下に一対のエアーナイフ７１，７１を備える。上側のエアーナイフ７１は、電解質膜２の上面に対して斜め上方の方向から高速のエアーをカーテン状に吹き付ける。一方、下側のエアーナイフ７１は、電解質膜２の下面に対して斜め下方の方向から高速のエアーをカーテン状に吹き付ける。一対のエアーナイフ７１，７１は、電解質膜２の搬送方向の下流側から上流側に向けてエアーを吹き付ける。エアーナイフ７１，７１は、高速でエアーを吹き付けることによって、電解質膜２の表面および裏面から浮き出た水膜を吹き飛ばすことができる。

皺取りローラ８０は、水除去部７０の下流側に設けられている。皺取りローラ８０は、Ｙ軸方向に沿った中心軸を回転中心として回転自在に設けられている。皺取りローラ８０は、Ｙ軸方向の両端部の径が最も大きく、両端部から中央部に向けて徐々に径が小さくなるような形状とされている。そして、皺取りローラ８０のＹ軸方向中央部の径が最も小さい。すなわち、皺取りローラ８０の外周面をＸ軸方向から見ると、両端から中央に向けてなだらかに凹むような形状となる（図１１参照）。このような形状の皺取りローラ８０に一定の張力で保水状態の電解質膜２を懸架させると、電解質膜２から皺を除去することができる。

皺取りローラ８０を通過した電解質膜２は第２巻取ローラ８５によって巻き取られる。第２巻取ローラ８５は、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２（つまり膜・触媒層接合体５）を巻き取る。このときに、合紙供給ローラ８８から送り出された合紙７が膜・触媒層接合体５の層間に挟み込まれるように第２巻取ローラ８５によって巻き取られる。これにより、第２巻取ローラ８５によって巻き取られたときに、膜・触媒層接合体５のアノード電極の触媒層９とカソード電極の触媒層９とが接触することが防止される。なお、合紙７としては、バックシート６と同じ材質、すなわち例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを用いることができる。

さらに、膜・触媒層接合体の製造装置１は、第１処理ユニット１０および第２処理ユニット２０を含む装置に設けられた各機構を制御する制御部９０を備える。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって、製造装置１に設けられた各動作機構が制御されて膜・触媒層接合体５の製造処理が進行する。

次に、上記の構成を有する膜・触媒層接合体の製造装置１における処理手順について説明する。図４および図５は、製造装置１において膜・触媒層接合体５が製造される手順を示すフローチャートである。図４に示すのは第１処理ユニット１０における処理であり、図５に示すのは第２処理ユニット２０における処理である。以下に説明する膜・触媒層接合体５の製造手順は、制御部９０が製造装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、第１処理ユニット１０の第１巻出ローラ１１がバックシート６付きの電解質膜２を巻き出す（ステップＳ１）。上述したように、固体高分子形燃料電池用途の電解質膜２は大気中に含まれる少量の湿気によっても極めて容易に変形するため、電解質膜２の製造時に巻き取られる段階で形状保持のための帯状の樹脂フィルムであるバックシート６が貼り付けられた状態となっている。バックシート６は電解質膜２の裏面に貼り合わされている。第１巻出ローラ１１から連続的に引き出されたバックシート６付きの電解質膜２は、表面塗工ノズル１２から第１乾燥炉１３の順に搬送されて第１巻取ローラ１４によって巻き取られる。第１巻出ローラ１１から送り出される電解質膜２は、その表面を上側に向けて（つまり、バックシート６が下側となるように）搬送される。

第１巻出ローラ１１から送り出されて第１巻取ローラ１４によって巻き取られることによりロールトゥロール方式で連続搬送される電解質膜２の表面には、表面塗工ノズル１２から電極インクが塗工される（ステップＳ２）。固体高分子形燃料電池の電解質膜２に塗工する電極インクは、上述した通りのものであり、例えば白金や白金合金などの触媒粒子、イオン伝導性電解質および分散媒を含有する。表面塗工ノズル１２が塗工する電極インクは、カソード用であってもアノード用であっても良い。

また、本実施形態では、表面塗工ノズル１２が断続的に電極インクを吐出することによって、連続搬送される電解質膜２の表面に間欠塗工を行っている。図６は、電解質膜２の表面に電極インクが間欠塗工された状態を示す平面図である。第１巻出ローラ１１から第１巻取ローラ１４に向けて一定速度で搬送されるバックシート６付き電解質膜２の表面に表面塗工ノズル１２から電極インクを断続的に吐出することによって、図６に示すように、電解質膜２の表面には一定サイズの矩形状の電極インク層８が一定間隔で不連続に形成される。

電解質膜２の表面に形成される各電極インク層８の幅は、表面塗工ノズル１２のスリット状吐出口の幅によって規定される。各電極インク層８の長さは、表面塗工ノズル１２の電極インク吐出時間と電解質膜２の搬送速度とによって規定される。また、電極インク層８の厚さ（高さ）は、表面塗工ノズル１２のスリット状吐出口と電解質膜２の表面との間隔および電極インクの吐出流量と電解質膜２の搬送速度とによって規定され、例えば１０μｍ〜３００μｍである。電極インクは表面塗工ノズル１２から塗工可能なペーストであり、電解質膜２上にて電極インク層８の形状を維持できる程度の粘性を有している。なお、表面塗工ノズル１２のスリット状吐出口と電解質膜２の表面との間隔を安定させるために、表面塗工ノズル１２の直下にて電解質膜２を裏面側から支持（厳密にはバックシート６の裏面から支持）するバックアップローラを設けるようにしても良い。

次に、表面に電極インク層８が形成された電解質膜２が第１乾燥炉１３に搬送されて通過するときに、電極インク層８の乾燥処理が行われる（ステップＳ３）。表面側の電極インク層８の乾燥処理は、第１乾燥炉１３から電極インク層８に熱風を吹き付けることによって行われる。熱風が吹き付けられることによって電極インク層８が加熱されて溶媒成分が揮発し、電極インク層８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって電解質膜２の表面に形成された電極インク層８が乾燥されて触媒層９となる。なお、本実施形態においては、第２処理ユニット２０に追加乾燥炉５９を設けて最終の仕上げ乾燥を行うため、第１乾燥炉１３では触媒層９に接触する物体にインクが付着しない程度にまで乾燥させておけば良い。

図７は、表面に触媒層９が形成された電解質膜２の断面図である。電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされているとともに、表面には断続的に触媒層９が形成されている。触媒層９は、白金などの触媒粒子が担持された電極層である。触媒層９は、電極インク層８から溶媒成分が揮発して固化したものであるため、その厚さは電極インク層８よりも薄い。乾燥後の触媒層９の厚さは、例えば３μｍ〜５０μｍである。

第１乾燥炉１３を通過した図７に示すような電解質膜２は第１巻取ローラ１４によって巻き取られる。このときには、電解質膜２の表面に形成された触媒層９と裏面に貼り合わされたバックシート６とが接触することとなるが、触媒層９は第１乾燥炉１３によってインクが付着しない程度にまで乾燥されているので問題は生じない。以上のようにして、第１処理ユニット１０における、電解質膜２の表面に電極インクを塗工して触媒層９を形成する成膜処理が完了する。

次に、第１処理ユニット１０の第１巻取ローラ１４によって巻き取った電解質膜２のロールを第２処理ユニット２０の第２巻出ローラ３２に再装着する（ステップＳ５）。この作業は、リフターなどによって自動で行うようにしても良いし、作業員が手動で行っても良い。

表面に触媒層９が形成された電解質膜２が第２巻出ローラ３２に装着された後、第２巻出ローラ３２がその電解質膜２を巻き出す（ステップＳ６）。このときに第２巻出ローラ３２から送り出される電解質膜２は、裏面にバックシート６が貼り合わされるとともに、表面に触媒層９が形成されている（図７）。第２巻出ローラ３２は、第１巻取ローラ１４の巻取り方向とは逆方向に回転して電解質膜２を巻き出すことにより、触媒層９が形成された表面が下側を向くように（つまり、バックシート６が上側となるように）電解質膜２を送り出す。第２巻出ローラ３２から連続的に引き出された電解質膜２は、補助ローラ３３に懸架され、剥離部３０の第１プレスローラ３１へと送り出される。

剥離部３０では、第１プレスローラ３１によって電解質膜２の表面を吸着ローラ２１に押し付けることにより、バックシート６を剥離して電解質膜２を吸着ローラ２１に吸着支持させる（ステップＳ７）。換言すれば、第１プレスローラ３１は、吸着ローラ２１に電解質膜２の表面が吸着された状態でバックシート６を剥離する。図８は、第１プレスローラ３１によってバックシート６を剥離して電解質膜２を吸着ローラ２１に吸着させる様子を示す図である。第１プレスローラ３１と吸着ローラ２１との間にてバックシート６が電解質膜２の裏面から剥離され、電解質膜２の表面が吸着ローラ２１に吸着される。

電解質膜２の表面には既に第１処理ユニット１０にて触媒層９が形成されているため、第１プレスローラ３１は触媒層９を含めて電解質膜２の表面を吸着ローラ２１に押し付ける。第１プレスローラ３１は、強度の弱い電解質膜２および触媒層９を変形させることなく吸着ローラ２１の外周面に確実に電解質膜２を吸着させることができる範囲の力にて電解質膜２を吸着ローラ２１に押し付けている。但し、第１プレスローラ３１は、吸着ローラ２１の外周面から所定の間隔を隔てて近接するように設置されている。第１プレスローラ３１が電解質膜２を吸着ローラ２１に押し付ける力は、当該間隔によって調整される。

吸着ローラ２１は、電解質膜２の表面を吸着する。気孔率が１５％〜５０％の多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２１の吸引口２３に９０ｋＰａ以上の負圧を付与することによって、電解質膜２を吸着しているか否かに関わらず、吸着ローラ２１の外周面には１０ｋＰａ以上の負圧が均一に作用する。従って、電解質膜２の幅の大小に関わらず、また電解質膜２の表面に触媒層９が形成されているか否かに関わらず、吸着ローラ２１は電解質膜２を一定の吸引圧にて安定して吸着支持することができる。また、吸着ローラ２１の吸着による電解質膜２の変形も抑制することができる。

さらに、吸着ローラ２１の外周面の表面粗さは、Ｒｚが５μｍ以下であるとともに、吸着ローラ２１の気孔径は５μｍ以下であるため、電解質膜２には吸着支持にともなう吸着痕は生じにくい。すなわち、本実施形態の吸着ローラ２１は、脆弱な機械的性質を有する触媒層９および電解質膜２を変形させたり吸着痕を生じさせることなく安定して吸着支持することができるのである。

図８に示すように、電解質膜２を吸着支持した吸着ローラ２１がＹ軸方向に沿った中心軸を回転中心として回転することにより、バックシート６が剥離された電解質膜２が吸着ローラ２１の外周面に支持されて搬送される。一方、電解質膜２から剥離されたバックシート６は、バックシート巻取ローラ３４によって巻き取られる。

次に、吸着ローラ２１に吸着支持されて搬送される電解質膜２の裏面には、裏面塗工ノズル４０から電極インクが塗工される（ステップＳ８）。裏面塗工ノズル４０が塗工する電極インクは、表面塗工ノズル１２が塗工する電極インクとは逆極性である。例えば、表面塗工ノズル１２がアノード用の電極インクを電解質膜２の表面に塗工した場合には、裏面塗工ノズル４０はカソード用の電極インクを電解質膜２の裏面に塗工する。逆に、表面塗工ノズル１２がカソード用の電極インクを塗工した場合には、裏面塗工ノズル４０はアノード用の電極インクを電解質膜２の裏面に塗工する。

また、裏面塗工ノズル４０は、電解質膜２の表面側における触媒層９の形成位置に対応する裏面（つまり、表面側の触媒層９とは電解質膜２を挟んで反対側面）に電極インクを間欠塗工する。具体的には、制御部９０が裏面塗工ノズル４０からの電極インクの吐出タイミングおよび吸着ローラ２１の回転速度を制御する。その結果、電解質膜２の裏面には、表面側の触媒層９に対応する位置にその触媒層９と同じサイズの電極インク層８が一定間隔で不連続に形成される（図６参照）。なお、電解質膜２の表面側における触媒層９の形成位置を正確に特定するために、例えば第２巻出ローラ３２から第１プレスローラ３１に至る搬送経路のいずれかに電解質膜２の表面を撮像する撮像カメラとその撮像カメラが撮像した画像のデータを解析する画像解析部とを設けておくのが好ましい。

回転時の吸着ローラ２１の全振れは１０μｍ以下であり、吸着ローラ２１の外周面の表面粗さは、Ｒｚが５μｍ以下であるため、回転する吸着ローラ２１の外周面と裏面塗工ノズル４０のスリット状吐出口との間隔はほぼ一定値に安定している。このため、裏面塗工ノズル４０からの間欠塗工によって高い精度にて均一な電極インク層８を形成することができる。

電解質膜２の裏面に形成される各電極インク層８の幅および長さは、表面に形成されている触媒層９の幅および長さと同じである。また、電極インク層８の厚さも、表面塗工ノズル１２から塗工されて形成された電極インク層８の厚さと同じ（例えば１０μｍ〜３００μｍ）である。

次いで、吸着ローラ２１の回転によって、電極インク層８が第２乾燥炉５０に対向する位置にまで搬送され、電極インク層８の乾燥処理が行われる（ステップＳ９）。裏面側の電極インク層８の乾燥処理は、第２乾燥炉５０から電極インク層８に熱風を吹き付けることによって行われる。熱風が吹き付けられることによって電極インク層８が加熱されて溶媒成分が揮発し、裏面側の電極インク層８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって電解質膜２の裏面に形成された電極インク層８が乾燥されて触媒層９となる。なお、本実施形態においては、追加乾燥炉５９を設けて最終の仕上げ乾燥を行うため、第２乾燥炉５０では触媒層９からインクが第２プレスローラ３９に付着しない程度にまで乾燥させておけば良い。

図９は、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２の断面図である。電解質膜２の表裏両面の同じ位置に触媒層９が形成されている。換言すれば、電解質膜２を挟んで相対向する位置に触媒層９が形成されている。乾燥後の触媒層９の厚さは、表裏ともに例えば３μｍ〜５０μｍである。

また、第２乾燥炉５０は、３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３を備えており、それらからは異なる温度の熱風が吹き付けられる。具体的には、吸着ローラ２１による電解質膜２の搬送方向の最も上流側に位置する乾燥ゾーン５１から中間の乾燥ゾーン５２を経て最も下流側の乾燥ゾーン５３の順に熱風温度が高くなる。乾燥ゾーンを分割することなく、塗工直後の電極インク層８に直ちに高温の熱風を吹き付けると、電極インク層８が急激に乾燥されて表面にクラックが生じることがある。或いは、吸着ローラ２１にヒータを内蔵して塗工直後の電極インク層８を急激に乾燥した場合も同様である。

本実施形態では、第２乾燥炉５０を３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３に分割し、電解質膜２の搬送方向の上流側から下流側に向けて乾燥温度を順次に高くしている。すなわち、最も上流側の乾燥ゾーン５１は、塗工直後の電極インク層８に比較的低温の熱風を吹き付けることによって、電極インク層８を僅かに昇温させる。次に、中間の乾燥ゾーン５２がやや高温の熱風を吹き付けることによって、電極インク層８を緩やかに乾燥させる。そして、最も下流側の乾燥ゾーン５３が高温の熱風を吹き付けることによって、電極インク層８を強く乾燥させる。このように、乾燥温度を徐々に高くして電極インク層８を段階的に乾燥させることにより、乾燥処理時のクラックの発生を防止することができる。

クラックの発生を防止しつつ電極インク層８を適切に乾燥させるためには、乾燥処理時間も適切に管理する必要があり、例えば約６０秒とするのが好ましい。乾燥処理時間は、１つの電極インク層８が３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３を通過する合計時間である。例えば、吸着ローラ２１の直径が４００ｍｍで３つの乾燥ゾーン５１，５２，５３が吸着ローラ２１の外周面の約半周を覆っていたとすると、その長さは約６２８ｍｍとなる。この条件で乾燥処理時間として６０秒を確保するためには、電解質膜２の搬送速度を１０．４ｍｍ／秒とすれば良い。電解質膜２の搬送速度は吸着ローラ２１の回転速度によって規定される。

また、第２乾燥炉５０は、電解質膜２の搬送方向に沿って最も上流側に熱遮断ゾーン５４を備え、最も下流側に熱遮断ゾーン５５を備えている。これにより、乾燥ゾーン５１，５２，５３から吹き出された熱風が第２乾燥炉５０を超えて吸着ローラ２１の上流側および下流側に流れ出るのを防止することができる。その結果、第２乾燥炉５０の上流側に位置する裏面塗工ノズル４０や下流側に位置する第２プレスローラ３９が不必要に加熱されるのを防止することができる。

さらに、第２乾燥炉５０には、熱遮断ゾーン５４，５５に加えて吸引部５６，５７も設けられており、これらによって第２乾燥炉５０の周囲に熱風が流れ出るのを防止するとともに、乾燥時に電極インク層８から揮発した溶媒の蒸気等が漏出するのを防止することができる。以上のようにして、第２処理ユニット２０における、電解質膜２の裏面に電極インクを塗工して触媒層９を形成する成膜処理は完了する。

次に、吸着ローラ２１のさらなる回転によって、電解質膜２が第２プレスローラ３９に到達し、触媒層９を含む電解質膜２の裏面が第２プレスローラ３９に押し付けられる。これにより、電解質膜２は吸着ローラ２１から剥離されて第２プレスローラ３９に懸架される。このときには、電解質膜２の裏面に形成された触媒層９と第２プレスローラ３９とが接触することとなるが、触媒層９は第２乾燥炉５０によってインクが付着しない程度にまで乾燥されているので問題は生じない。吸着ローラ２１から剥離された電解質膜２は、第２巻取ローラ８５によって巻き取られることにより第２プレスローラ３９からさらに下流側へと送り出される。

第２プレスローラ３９から送り出された図９に示す如き電解質膜２は追加乾燥炉５９を通過する。電解質膜２が追加乾燥炉５９の内部を通過するときに、追加乾燥炉５９が触媒層９に熱風を吹き付けることにより、触媒層９の最終の仕上げ乾燥が行われる（ステップＳ１０）。第１乾燥炉１３および第２乾燥炉５０で触媒層９が十分には乾燥されていない場合であっても、追加乾燥炉５９によって触媒層９を確実に乾燥させることができる。これにより、両面に触媒層９が形成された電解質膜２が膜・触媒層接合体５として完成する。

追加乾燥炉５９から送り出された電解質膜２は、一対の位置固定のローラ６８，６８およびダンサーローラ６９を通過する。一対の位置固定のローラ６８，６８の間に設けられたダンサーローラ６９は、上下方向についての位置が拘束されておらずに自由に昇降できるため、その高さ位置にかかわらず自重によって常に一定の張力を電解質膜２に与えることができる。ダンサーローラ６９により、第２プレスローラ３９から第２巻取ローラ８５に至る電解質膜２に作用する張力は一定となる。その結果、第２巻取ローラ８５によって巻き取られる電解質膜２の張力を一定に保つことができる。

ダンサーローラ６９を通過した電解質膜２は給水部６０に到達する。給水部６０を通過する電解質膜２に対しては一対のミストスプレー６１，６１から純水が供給される（ステップＳ１１）。電解質膜２の搬送経路よりも上側のミストスプレー６１からは電解質膜２の裏面にミスト状の純水が吹き付けられ、下側のミストスプレー６１からは電解質膜２の表面にミスト状の純水が吹き付けられる。なお、電解質膜２が給水部６０および水除去部７０を通過するときには、その表面を下側に向けて搬送されている。

給水部６０は、電解質膜２の表面および裏面に対して十分な量の純水を供給する。具体的には、給水部６０は、電解質膜２が十分に水分を含んでその表面および裏面から水膜が現出する程度にまで純水を供給している。すなわち、給水部６０は、電解質膜２の吸水可能限界を超える量の純水を供給するのである。これは、電解質膜２の搬送速度に応じてミストスプレー６１，６１からの供給流量を調整することによって実現することができる。

図１０は、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２に純水が供給された状態を示す断面図である。給水部６０の一対のミストスプレー６１，６１から電解質膜２の吸水可能限界を超える量の純水を供給することによって、電解質膜２の表面および裏面から水分が浮き出て水膜３が現出する。表面および裏面から水膜３が現出する程度にまで十分に電解質膜２が水分を吸収すると、触媒層９が形成された塗工領域であるかそれ以外の非塗工領域であるかにかかわらず、電解質膜２の全体が膨潤する。電解質膜２の全体が膨潤すると、塗工液の溶媒成分の乾燥による塗工領域と非塗工領域との収縮差に起因して生じていた皺を解消することができる。

次に、給水部６０にて水膜３が現出する程度にまで水分を含んだ電解質膜２が水除去部７０に到達する。水除去部７０を通過する電解質膜２に対しては一対のエアーナイフ７１，７１から高速のエアーが吹き付けられて余剰の水分が除去される（ステップＳ１２）。一対のエアーナイフ７１，７１は、電解質膜２の搬送方向の下流側から上流側に向かう斜め方向から高速のエアーをカーテン状に吹き付ける。すなわち、上側のエアーナイフ７１は、（＋Ｘ）側から（−Ｘ）側に向かう斜め上方から電解質膜２の裏面に高速のエアーを吹き付ける。一方、下側のエアーナイフ７１は、（＋Ｘ）側から（−Ｘ）側に向かう斜め下方から電解質膜２の表面に高速のエアーを吹き付ける。エアーナイフ７１，７１から高速のエアーを吹き付けることによって、電解質膜２の表面および裏面に現出している水膜３を吹き飛ばして余剰の水分を除去することができる。なお、エアーナイフ７１，７１によるエアーの吹き付けによって余剰の水分を除去したとしても、電解質膜２が乾燥されるものではなく、電解質膜２が水分を十分に含んだ保水状態は維持される。

水除去部７０にて余剰の水分が除去された電解質膜２は皺取りローラ８０を通過する。図１１は、電解質膜２が皺取りローラ８０に接触した状態を示す図である。皺取りローラ８０の外周面は、両端から中央に向けてなだらかに凹むような形状である。このような形状の皺取りローラ８０に一定の張力で保水状態の電解質膜２が懸架されると、給水部６０での水供給による膨潤だけでは完全に解消されていなかった皺を電解質膜２から除去することができる（ステップＳ１３）。

皺取りローラ８０を通過した電解質膜２は第２巻取ローラ８５によって巻き取られる（ステップＳ１４）。このときには、水除去部７０によって余剰の水分は除去されているものの、表面および裏面に触媒層９が形成された電解質膜２（膜・触媒層接合体５）が保水された状態のままで第２巻取ローラ８５によって巻き取られる。これにより、一連の膜・触媒層接合体５の製造プロセスが完了する。

また、第２巻取ローラ８５による巻取りに際しては、合紙供給ローラ８８から供給された合紙７が膜・触媒層接合体５の層間に挟み込まれる。合紙７を挟み込むことなく膜・触媒層接合体５を巻き取った場合には、電解質膜２の表裏面に形成されたアノード電極の触媒層９とカソード電極の触媒層９とが互いに接触することとなるため不都合である。本実施形態では、第２巻取ローラ８５によって巻き取られる電解質膜２に合紙供給ローラ８８から合紙７を供給して層間に挟み込ませているため、極性の異なる触媒層９の接触を防止することができる。

本実施形態の製造装置１においては、まず、第１処理ユニット１０にて電解質膜２の表面に電極インクを塗工して乾燥処理を行うことにより当該表面に触媒層９を形成している。次いで、第２処理ユニット２０にて電解質膜２の裏面に表面とは極性の異なる電極インクを塗工して乾燥処理を行うことにより当該裏面にも触媒層９を形成している。続いて、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２に給水部６０から純水を供給して電解質膜２を保水状態としている。給水部６０は、電解質膜２の表面および裏面から水膜３が現出する程度にまで純水を供給する。そして、給水部６０からの給水によって保水された状態の電解質膜２を第２巻取ローラ８５によって巻き取っている。

第２処理ユニット２０の第２プレスローラ３９よりも下流に送り出された電解質膜２については、既にバックシート６が剥離されているため、いかなる部材によっても支持されていない。このように支持部材の存在しない状態の電解質膜２においては、触媒層９が形成された塗工領域とそれ以外の非塗工領域との収縮差に起因した皺が発生しやすくなる。すなわち、電解質膜２の塗工領域では乾燥処理時に電極インクの溶剤が揮発することによって大きな収縮が生じる一方、非塗工領域では溶剤の揮発がないために収縮も生じず、この収縮差によって電解質膜２に皺が発生するのである。このような皺は特に追加乾燥炉５９を通過するときに生じやすい。よって、追加乾燥炉５９を通過した電解質膜２（膜・触媒層接合体５）をそのまま第２巻取ローラ８５によって巻き取ると、皺が発生したままの電解質膜２を巻き取ることとなる。なお、バックシート６の剥離後に電極インクの塗工および乾燥処理が行われるときには、吸着ローラ２１によって電解質膜２が吸着支持されているため皺は発生しない。

そこで、本実施形態のように、表裏両面に触媒層９が形成された電解質膜２に給水部６０から純水を供給して電解質膜２を保水状態とすることにより、塗工領域であるか非塗工領域であるかにかかわらず、電解質膜２全体を膨潤させて追加乾燥処理時等に生じた皺を解消することができる。そして、給水部６０からの給水によって保水された状態の電解質膜２を第２巻取ローラ８５によって巻き取ることにより、最終製品としての膜・触媒層接合体５における皺を防止することができる。

また、本実施形態においては、電解質膜２をロールトゥロール方式にて連続して搬送しつつ触媒層９の成膜処理を行い、その連続搬送される電解質膜２にミストスプレー６１，６１からミスト状の純水を吹き付けるだけで皺の発生を抑制しているため、複雑な処理工程は介在しておらず、ロールトゥロール方式の良好な生産性を維持することができる。すなわち、本実施形態の膜・触媒層接合体の製造装置１によれば、良好な生産性を維持しつつ、膜・触媒層接合体５の皺を防止することができるのである。

なお、本実施形態では、保水状態の電解質膜２が第２巻取ローラ８５によって巻き取られるため、最終製品としての膜・触媒層接合体５は水分を含んだままとなる。しかし、そもそも燃料電池の膜・触媒層接合体５においては、水素と酸素との電気化学反応によって水が発生するため、最終製品としての膜・触媒層接合体５は水分を含んでいても特段の問題は生じない。

また、本実施形態の製造装置１においては、水供給による電解質膜２の膨潤だけでは完全に解消されていなかった皺を皺取りローラ８０によって除去しているため、膜・触媒層接合体５における皺をより確実に防止することができる。

また、本実施形態の製造装置１は、第２巻取ローラ８５によって巻き取られる電解質膜２の張力を一定に保つダンサーローラ６９を備えているため、張力のバラツキに起因した膜・触媒層接合体５の皺をも防止することができる。

さらに、本実施形態の製造装置１においては、第２巻取ローラ８５によって巻き取られる電解質膜２に合紙７を供給して層間に挟み込ませているため、極性の異なる触媒層９の接触を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、ミストスプレー６１からミスト状の純水を電解質膜２に吹き付けることによって水分の供給を行っていたが、水分供給の手法はこれに限定されるものではなく、以下のようにしても良い。

図１２は、水分供給および水除去の他の例を示す図である。同図において、上記実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。図１２（ａ）に示す例では、電解質膜２の張力を一定に保つためのダンサーローラ６９を用いて水供給を行っている。この例では、純水を貯留する貯水槽６５が設けられ、ダンサーローラ６９に巻き掛けられた電解質膜２が貯水槽６５に貯留された純水中に浸漬される。電解質膜２がダンサーローラ６９を通過するときに、純水中に浸漬されることとなるため、十分な量の純水が電解質膜２の表面および裏面に対して供給されることとなり、上記実施形態と同様に、電解質膜２の表面および裏面から水膜３が現出する。このため、上記実施形態と同様に、最終製品としての膜・触媒層接合体５における皺の発生を抑制することができる。図１２（ａ）の例における水除去は、上記実施形態と同じく、一対のエアーナイフ７１，７１から高速のエアーを吹き付けることによって行われる。また、ダンサーローラ６９によって電解質膜２の張力が一定に維持される。なお、ダンサーローラ６９が貯水槽６５の水面よりも上方に移動すると、電解質膜２に作用する張力が急激に変動するとともに、電解質膜２に水分供給を行えなくなるため、ダンサーローラ６９の高さ位置が貯水槽６５の純水中に浸漬する位置となるように張力が調整される。

図１２（ｂ）に示す例においては、水供給ローラ６６を用いて水供給を行っている。水供給ローラ６６は、一対の位置固定のローラ６８，６８の間に設けられており、上下方向には自由に昇降することができる。水供給ローラ６６は、例えばスポンジ状のローラであり、図外の純水供給機構から純水の供給を受けることによって巻き掛けられた電解質膜２に純水を供給する。このような水供給ローラ６６によっても十分な量の純水を電解質膜２に供給することができ、上記実施形態と同様に、電解質膜２の表面および裏面から水膜３が現出する。その結果、上記実施形態と同様に、最終製品としての膜・触媒層接合体５における皺の発生を抑制することができる。なお、水分を含んだ水供給ローラ６６は、上記実施形態におけるダンサーローラ６９と同じ作用効果を奏する。よって、図１２（ｂ）に示す例ではダンサーローラ６９は不要となる。

また、図１２（ｂ）に示す例では、エアーナイフ７１に代えて、一対の吸水ローラ７２，７２によって水除去を行っている。吸水ローラ７２は、例えばスポンジ状のローラであり、図外の排水機構からの排水を受けることによって常に吸水可能な状態とされている。電解質膜２は一対の吸水ローラ７２，７２に挟み込まれて搬送される。一対の吸水ローラ７２，７２が電解質膜２の表面および裏面に接触することにより、それら表面および裏面に現出している水膜３を吸収して余剰の水分を除去することができる。

図１２（ｃ）に示す例においては、一対の水供給ローラ６６，６６を用いて水供給を行っている。この例では、一対の水供給ローラ６６，６６は位置固定とされている。電解質膜２は一対の水供給ローラ６６，６６に挟み込まれて搬送される。水供給ローラ６６自体は、上記と同じく、例えばスポンジ状のローラであり、図外の純水供給機構から純水の供給を受けることによって接触する電解質膜２に純水を供給する。このような水供給ローラ６６，６６によっても十分な量の純水を電解質膜２に供給することができ、上記実施形態と同様に、電解質膜２の表面および裏面から水膜３が現出する。その結果、上記実施形態と同様に、最終製品としての膜・触媒層接合体５における皺の発生を抑制することができる。また、図１２（ｃ）の例における水除去は、図１２（ｂ）と同じく、一対の吸水ローラ７２，７２によって行っている。

このように、電解質膜２に水分供給および水除去には種々の手法を採用することが可能であるが、汚染防止の観点からは、上記実施形態のように、ミストスプレー６１からミスト状の純水を電解質膜２に吹き付けるとともに、エアーナイフ７１から非接触にて高速のエアーを電解質膜２に吹き付けるのが好ましい。

また、上記実施形態において、一対のミストスプレー６１，６１から加熱した温純水をミスト状にして電解質膜２に吹き付けるようにしても良い。或いは、一対のミストスプレー６１，６１から電解質膜２にミスト状の純水を吹き付ける空間自体を昇温された空間としても良い。

また、上記実施形態においては、第１処理ユニット１０と第２処理ユニット２０とを分離し、第１処理ユニット１０の第１巻取ローラ１４によって巻き取った電解質膜２のロールを第２処理ユニット２０の第２巻出ローラ３２に再装着するようにしていたが、これらをインラインで連結するようにしても良い。具体的には、第１処理ユニット１０の後段に第２処理ユニット２０を配置し、第１乾燥炉１３から送り出された電解質膜２を直接に剥離部３０に送給するようにしても良い。

また、本発明に係る製造技術は、燃料電池の膜・触媒層接合体５の製造への適用に限定されるものではなく、他の種類の薄膜上に機能層を形成する複合膜の製造に適用することもできる。特に、上記の電解質膜２の如く、膨潤・収縮によって容易に変形する薄膜に溶媒を含む塗工液を塗工して乾燥させることにより、薄膜上に機能層を形成した複合膜を製造するのに、本発明に係る製造技術は好適に用いることができる。

本発明は、膨潤・収縮によって容易に変形する電解質膜に電極インクを塗工して乾燥させることにより当該電解質膜上に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造技術に適用することができ、特に固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体の製造に好適である。

１ 製造装置
２ 電解質膜
３ 水膜
５ 膜・触媒層接合体
６ バックシート
７ 合紙
８ 電極インク層
９ 触媒層
１０ 第１処理ユニット
１１ 第１巻出ローラ
１２ 表面塗工ノズル
１３ 第１乾燥炉
１４ 第１巻取ローラ
２０ 第２処理ユニット
２１ 吸着ローラ
３０ 剥離部
４０ 裏面塗工ノズル
５０ 第２乾燥炉
５９ 追加乾燥炉
６０ 給水部
６１ ミストスプレー
６５ 貯水槽
６６ 水供給ローラ
６９ ダンサーローラ
７０ 水除去部
７１ エアーナイフ
７２ 吸水ローラ
８０ 皺取りローラ
８５ 第２巻取ローラ
８８ 合紙供給ローラ
９０ 制御部

Claims (12)

1. 帯状の電解質膜の両面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造装置であって、
   前記電解質膜の一方面に触媒層を形成する第１成膜部と、
   前記電解質膜の他方面に触媒層を形成する第２成膜部と、
   両面に触媒層が形成された前記電解質膜に水分を供給する給水部と、
   前記給水部からの給水によって保水された状態の前記電解質膜を巻き取る巻取り部と、
   を備え、
   前記給水部は、前記電解質膜の前記一方面および前記他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
2. 請求項１記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記電解質膜から余剰の水分を除去する水除去部をさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
3. 請求項１または請求項２記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   保水された状態の前記電解質膜から皺を除去する皺取りローラをさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記巻取り部によって巻き取られる前記電解質膜の張力を一定に保つダンサーローラをさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記巻取り部によって巻き取られる前記電解質膜に合紙を供給して挟み込ませる合紙供給部をさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記給水部は、ミスト状の水分を前記電解質膜に吹き付けるミストスプレーを有することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
7. 帯状の電解質膜の両面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造方法であって、
   前記電解質膜の一方面に触媒層を形成する第１成膜工程と、
   前記電解質膜の他方面に触媒層を形成する第２成膜工程と、
   両面に触媒層が形成された前記電解質膜に水分を供給する給水工程と、
   前記給水工程での給水によって保水された状態の前記電解質膜を巻き取る巻取り工程と、
   を備え、
   前記給水工程では、前記電解質膜の前記一方面および前記他方面から水膜が現出する程度にまで水分を供給することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
8. 請求項７記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
   前記電解質膜から余剰の水分を除去する水除去工程をさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
9. 請求項７または請求項８記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
   保水された状態の前記電解質膜から皺取りローラによって皺を除去する皺取り工程をさらに備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
10. 請求項７から請求項９のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記巻取り工程にて巻き取られる前記電解質膜の張力をダンサーローラによって一定に保つことを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記巻取り工程にて巻き取られる前記電解質膜に合紙を供給して挟み込ませることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
12. 請求項７から請求項１１のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記給水工程では、ミストスプレーからミスト状の水分を前記電解質膜に吹き付けることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。

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