JP2015153653A - Electrolyte membrane modification device and electrolyte membrane modification method, and production system and production method of membrane/catalyst layer assembly - Google Patents

Electrolyte membrane modification device and electrolyte membrane modification method, and production system and production method of membrane/catalyst layer assembly Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane modification technique capable of forming a catalyst layer of uniform thickness, and to provide a production technique of a membrane/catalyst layer assembly.SOLUTION: An electrolyte membrane 2 is transported continuously in roll-to-roll system by means of a first unwinding roller 71 and a first take-up roller 74. The electrolyte membrane 2 contains perfluorocarbon sulfonic acid and polytetrafluoroethylene as a reinforcement material. The front surface of the electrolyte membrane 2, transported while sticking the back surface to a back sheet, is irradiated with ultraviolet light from an ultraviolet light irradiation unit 72. Thereafter, the electrolyte membrane 2 is hot-pressed by means of a pair of heated press rollers 73, 73. A membrane/catalyst layer assembly can be produced by coating the electrolyte membrane 2, modified by ultraviolet light irradiation and hot-press, with an electrode ink and then drying the ink, thereby forming a catalyst layer of uniform thickness.

Description

本発明は、燃料電池に使用する電解質膜の改質方法および改質装置、並びに、その改質された電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜・触媒層接合体の製造システムおよび製造方法に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for reforming an electrolyte membrane used in a fuel cell, and a system and method for producing a membrane / catalyst layer assembly in which electrode catalyst layers are formed on both sides of the modified electrolyte membrane. About.

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)と空気中の酸素(O)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。 In recent years, fuel cells have attracted attention as drive power sources for automobiles, homes, mobile phones and the like. A fuel cell is a power generation system that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen (H 2 ) contained in fuel and oxygen (O 2 ) in the air, and has a feature of high power generation efficiency and light environmental load. .

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。   There are several types of fuel cells depending on the electrolyte used, one of which is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using an ion exchange membrane (electrolyte membrane) as the electrolyte. ) Since the polymer electrolyte fuel cell can operate at room temperature and can be reduced in size and weight, it is expected to be applied to automobiles and portable devices.

固体高分子形燃料電池は、一般的には複数のセルを積層して構成されている。1つのセル(単セル)は、膜・電極接合体(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)の両側を一対のセパレータで挟み込んで構成されている。膜・電極接合体は、電解質の薄膜(高分子電解質膜)の両面に触媒層を形成した膜・触媒層接合体(CCM:Catalyst-coated membrane)の両側にさらにガス拡散層を配置したものである。高分子電解質膜を挟んで両側に配置された触媒層とガス拡散層とで一対の電極層が構成され、そのうちの一方がアノード電極であり、他方がカソード電極である。アノード電極に水素を含む燃料ガスが接触するとともに、カソード電極に空気が接触することにより電気化学反応によって電力が作り出される。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells. One cell (single cell) is configured by sandwiching both sides of a membrane-electrode assembly (MEA) with a pair of separators. A membrane / electrode assembly is a membrane-catalyst-coated membrane (CCM) with a catalyst layer formed on both sides of an electrolyte thin film (polymer electrolyte membrane) and gas diffusion layers on both sides. is there. A catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane constitute a pair of electrode layers, one of which is an anode electrode and the other is a cathode electrode. When the fuel gas containing hydrogen contacts the anode electrode and air contacts the cathode electrode, electric power is generated by an electrochemical reaction.

固体高分子形燃料電池用途の電解質膜としては、例えば特許文献1に開示されるような延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を補強材料とし、その補強材に電解質樹脂としてパーフルオロスルホン酸樹脂を一体に形成したものが用いられる。そして、このような電解質膜の表面に、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)を塗工することによって上記の膜・触媒層接合体が作製される(特許文献2,3参照)。   As an electrolyte membrane for use in a polymer electrolyte fuel cell, for example, stretched porous polytetrafluoroethylene (PTFE) as disclosed in Patent Document 1 is used as a reinforcing material, and perfluorosulfonic acid resin as an electrolyte resin is used as the reinforcing material. Are formed integrally. Then, the membrane / catalyst layer assembly is produced by applying electrode ink (electrode paste) in which a catalyst containing platinum (Pt) is dispersed in a solvent such as alcohol on the surface of such an electrolyte membrane. (See Patent Documents 2 and 3).

特開平8−162132号公報JP-A-8-162132 特開2008−27738号公報JP 2008-27738 A 特開2011−165460号公報JP 2011-165460 A

しかしながら、特許文献1に開示されるような延伸多孔質PTFEはPTFEシートを延伸多孔化して製造されるものであるが故に、その延伸多孔質PTFEを補強材として使用した電解質膜では補強材が局所的に凝集している海島構造を呈している場合がある。このような電解質膜の表面に電極インクを塗工すると、凝集したPTFEが表面に露出している部分では電極インクが弾かれて層が薄くなり、その結果触媒層の膜厚が不均一になるというおそれがあった。   However, stretched porous PTFE as disclosed in Patent Document 1 is produced by stretching a PTFE sheet to make it porous. Therefore, in an electrolyte membrane using the stretched porous PTFE as a reinforcing material, the reinforcing material is locally used. In some cases, the islands have an agglomerated sea-island structure. When the electrode ink is applied to the surface of such an electrolyte membrane, the electrode ink is repelled and the layer becomes thin at the portion where the aggregated PTFE is exposed on the surface, and as a result, the thickness of the catalyst layer becomes non-uniform. There was a fear.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、均一な膜厚の触媒層を形成することができる電解質膜改質技術および膜・触媒層接合体の製造技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has an object to provide an electrolyte membrane reforming technology and a membrane / catalyst layer assembly manufacturing technology capable of forming a catalyst layer having a uniform film thickness. To do.

上記課題を解決するため、請求項1の発明は、燃料電池の電解質膜を改質する電解質膜改質装置において、一方面が支持部材に貼り合わされた帯状の電解質膜を所定速度で搬送する搬送手段と、前記搬送手段によって搬送される前記電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射する照射手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is an electrolyte membrane reforming apparatus for reforming an electrolyte membrane of a fuel cell, and transports a belt-shaped electrolyte membrane whose one surface is bonded to a support member at a predetermined speed. means and the accumulated light quantity of ultraviolet light in the range of wavelength 100nm~400nm on the other surface at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance of the electrolyte membrane being transported by the transport means 1.8MJ / and irradiation means for irradiating so as to be not less than cm 2 and not more than 15000 mJ / cm 2 .

また、請求項2の発明は、請求項1の発明に係る電解質膜改質装置において、前記搬送手段による前記電解質膜の搬送経路に沿って前記照射手段よりも下流側に設けられ、前記支持部材に貼り合わされた前記電解質膜を一方面側および他方面側から挟んで圧縮する一対のプレスローラと、前記一対のプレスローラを50℃以上180℃以下に加熱する加熱手段と、をさらに備えることを特徴とする。   Further, the invention according to claim 2 is the electrolyte membrane reforming apparatus according to claim 1, wherein the support member is provided downstream of the irradiation unit along the transport path of the electrolyte membrane by the transport unit. A pair of press rollers for compressing the electrolyte membrane bonded to the substrate from one side and the other side, and a heating unit for heating the pair of press rollers to 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. Features.

また、請求項3の発明は、請求項2の発明に係る電解質膜改質装置において、前記一対のプレスローラによる圧縮率は、20%以上60%以下であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the electrolyte membrane reforming apparatus according to the second aspect of the present invention, a compression ratio by the pair of press rollers is 20% or more and 60% or less.

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電解質膜改質装置において、前記電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレンとパーフルオロカーボンスルホン酸とを含む高分子電解質膜であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the electrolyte membrane reformer according to any one of the first to third aspects, wherein the electrolyte membrane includes polytetrafluoroethylene and perfluorocarbon sulfonic acid. It is a film.

また、請求項5の発明は、燃料電池の電解質膜に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造システムにおいて、請求項1から請求項4のいずれかの発明に係る電解質膜改質装置と、前記電解質膜の一方面および/または他方面に塗工液を塗工する塗工手段と、前記電解質膜に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、を備えることを特徴とする。   The invention of claim 5 is a membrane / catalyst layer assembly manufacturing system in which a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane of a fuel cell. The electrolyte membrane reformer according to any one of claims 1 to 4 A coating means for coating a coating liquid on one side and / or the other side of the electrolyte membrane; a drying means for drying the coating liquid coated on the electrolyte membrane to form a catalyst layer; It is characterized by providing.

また、請求項6の発明は、燃料電池の電解質膜を改質する電解質膜改質方法において、一方面が支持部材に貼り合わされた帯状の電解質膜を所定速度で搬送しつつ、前記電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射する照射工程を備えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte membrane reforming method for reforming an electrolyte membrane of a fuel cell, wherein a belt-like electrolyte membrane having one surface bonded to a support member is conveyed at a predetermined speed while the electrolyte membrane irradiated to the integrated light quantity of ultraviolet light in the range of wavelength 100nm~400nm on the other surface at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance is 1.8mJ / cm 2 or more 15,000 mJ / cm 2 or less An irradiation step is provided.

また、請求項7の発明は、請求項6の発明に係る電解質膜改質方法において、前記照射工程の後に、50℃以上180℃以下に加熱された一対のプレスローラによって前記支持部材に貼り合わされた前記電解質膜を一方面側および他方面側から挟んで圧縮するホットプレス工程をさらに備えることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the electrolyte membrane modification method according to claim 6, wherein after the irradiation step, the support member is bonded to the support member by a pair of press rollers heated to 50 ° C. or more and 180 ° C. or less. The method further comprises a hot pressing step of compressing the electrolyte membrane sandwiched from one side and the other side.

また、請求項8の発明は、請求項7の発明に係る電解質膜改質方法において、前記ホットプレス工程における前記一対のプレスローラによる圧縮率は、20%以上60%以下であることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the electrolyte membrane modification method according to claim 7, wherein the compression rate by the pair of press rollers in the hot pressing step is 20% or more and 60% or less. To do.

また、請求項9の発明は、請求項6から請求項8のいずれかの発明に係る電解質膜改質方法において、前記電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレンとパーフルオロカーボンスルホン酸とを含む高分子電解質膜であることを特徴とする。   The invention of claim 9 is the electrolyte membrane modification method according to any one of claims 6 to 8, wherein the electrolyte membrane comprises polytetrafluoroethylene and perfluorocarbon sulfonic acid. It is a film.

また、請求項10の発明は、燃料電池の電解質膜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、請求項6から請求項9のいずれかの発明に係る電解質膜改質方法によって表面改質された電解質膜の他方面に塗工液を塗工する第1塗工工程と、前記電解質膜の他方面に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する第1乾燥工程と、を備えることを特徴とする。   The invention of claim 10 is a method of manufacturing a membrane / catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane of a fuel cell. The method of reforming an electrolyte membrane according to any of claims 6 to 9 A first coating step of applying a coating solution to the other surface of the electrolyte membrane whose surface has been modified, and a step of drying the coating solution applied to the other surface of the electrolyte membrane to form a catalyst layer. And 1 drying step.

また、請求項11の発明は、請求項10の発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記電解質膜の一方面から前記支持部材を剥離し、当該一方面に紫外線照射を行うことなく塗工液を塗工する第2塗工工程と、前記電解質膜の一方面に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する第2乾燥工程と、をさらに備えることを特徴とする。   The invention of claim 11 is the method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to claim 10, wherein the support member is peeled from one surface of the electrolyte membrane and the one surface is irradiated with ultraviolet rays. A second coating step of coating the coating liquid without any further, and a second drying step of drying the coating liquid coated on one surface of the electrolyte membrane to form a catalyst layer. And

請求項1から請求項5の発明によれば、電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射するため、電解質膜が改質され、均一な膜厚の触媒層を形成することができる。 According to claim 1, the invention of claim 5, integral light quantity of ultraviolet light in the range of wavelength 100nm~400nm on the other surface at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance of the electrolyte membrane 1. Irradiation is performed so as to be 8 mJ / cm 2 or more and 15000 mJ / cm 2 or less, so that the electrolyte membrane is modified and a catalyst layer having a uniform film thickness can be formed.

特に、請求項2および請求項3の発明によれば、加熱された一対のプレスローラによって電解質膜を圧縮するため、電解質膜をより十分に改質することができる。   In particular, according to the second and third aspects of the invention, the electrolyte membrane is compressed by the pair of heated press rollers, so that the electrolyte membrane can be more sufficiently modified.

請求項6から請求項11の発明によれば、電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射するため、電解質膜が改質され、均一な膜厚の触媒層を形成することができる。 According Claims 6 to the invention of claim 11, the integrated light quantity of ultraviolet light in the range of wavelength 100nm~400nm on the other surface at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance of the electrolyte membrane 1. Irradiation is performed so as to be 8 mJ / cm 2 or more and 15000 mJ / cm 2 or less, so that the electrolyte membrane is modified and a catalyst layer having a uniform film thickness can be formed.

特に、請求項7および請求項8の発明によれば、加熱された一対のプレスローラによって電解質膜を圧縮するため、電解質膜をより十分に改質することができる。   In particular, according to the inventions of claims 7 and 8, the electrolyte membrane is compressed by the pair of heated press rollers, so that the electrolyte membrane can be more sufficiently modified.

本発明に係る膜・触媒層接合体の製造システムの全体概略構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the whole schematic structure of the manufacturing system of the membrane-catalyst layer assembly based on this invention. 改質ユニットの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a reforming unit. 表面処理ユニットの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a surface treatment unit. 裏面処理ユニットの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a back surface processing unit. 吸着ローラおよび第2乾燥炉の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an adsorption | suction roller and a 2nd drying furnace. 吸着ローラおよび第2乾燥炉の正面図である。It is a front view of a suction roller and a 2nd drying furnace. 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。It is a flowchart which shows the procedure in which a membrane-catalyst layer assembly is manufactured. 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。It is a flowchart which shows the procedure in which a membrane-catalyst layer assembly is manufactured. フロントシートおよびバックシートが貼り合わされた電解質膜の断面図である。It is sectional drawing of the electrolyte membrane in which the front sheet and the back sheet were bonded together. 電解質膜に対する紫外線照射を示す図である。It is a figure which shows the ultraviolet irradiation with respect to an electrolyte membrane. 電解質膜に対するホットプレス処理を示す図である。It is a figure which shows the hot press process with respect to an electrolyte membrane. 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。It is a top view which shows the state by which electrode ink was intermittently applied to the surface of the electrolyte membrane. 表面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。It is sectional drawing of the electrolyte membrane in which the catalyst layer was formed on the surface. 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。It is a figure which shows a mode that a back sheet is peeled with a 1st press roller, and an electrolyte membrane is made to adsorb | suck to an adsorption | suction roller. 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。It is sectional drawing of the electrolyte membrane in which the catalyst layer was formed in both front and back. 電解質膜にてフッ素樹脂の補強材が凝集している場合における電極インクの塗工状態を示す図である。It is a figure which shows the application state of the electrode ink in case the reinforcing material of a fluororesin has aggregated in the electrolyte membrane. 電解質膜にてフッ素樹脂の補強材が凝集している場合における触媒層の膜厚プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the film thickness profile of a catalyst layer in case the reinforcing material of a fluororesin has aggregated in the electrolyte membrane. 電解質膜の改質を行った場合における触媒層の膜厚プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the film thickness profile of the catalyst layer in the case of modifying the electrolyte membrane.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る膜・触媒層接合体の製造システム1の全体概略構成を模式的に示す図である。この膜・触媒層接合体の製造システム1では、帯状の電解質膜2の改質を行った後に、その電解質膜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3を製造する。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall schematic configuration of a membrane / catalyst layer assembly manufacturing system 1 according to the present invention. In this membrane / catalyst layer assembly manufacturing system 1, after the belt-shaped electrolyte membrane 2 is modified, electrode ink (electrode paste) is applied to the front and back surfaces of the electrolyte membrane 2, and the electrode ink is applied. The catalyst layer (electrode layer) is formed on both surfaces of the electrolyte membrane 2 by drying, and the membrane / catalyst layer assembly 3 of the polymer electrolyte fuel cell is manufactured.

膜・触媒層接合体の製造システム1は、電解質膜2の改質処理を行う改質ユニット70、電解質膜2の表面に触媒層の成膜処理を行う表面処理ユニット10、および、電解質膜2の裏面に触媒層の成膜処理を行う裏面処理ユニット20を備える。また、製造システム1は、改質ユニット70、表面処理ユニット10および裏面処理ユニット20の全体を管理する制御部90を備える。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。   The membrane / catalyst layer assembly manufacturing system 1 includes a reforming unit 70 that performs a reforming process on the electrolyte membrane 2, a surface treatment unit 10 that performs a catalyst layer forming process on the surface of the electrolyte membrane 2, and the electrolyte membrane 2. The back surface processing unit 20 which performs the film-forming process of a catalyst layer is provided in the back surface. Further, the manufacturing system 1 includes a control unit 90 that manages the entire reforming unit 70, the surface treatment unit 10, and the back surface treatment unit 20. Note that the surface of the electrolyte membrane 2 is one of the two surfaces of the electrolyte membrane 2, and the catalyst layer of either the anode electrode or the cathode electrode is formed. The back surface of the electrolyte membrane 2 is the other surface opposite to the front surface, and a catalyst layer having a polarity different from that of the front surface is formed. That is, the front surface and the back surface are notations for simply identifying both surfaces of the electrolyte membrane 2, and any specific surface is not limited to the front surface or the back surface.

図2は、改質ユニット70の概略構成を示す図である。改質ユニット70は、少なくとも紫外線照射によって電解質膜2の改質処理を行う。なお、図2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2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。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the reforming unit 70. The reforming unit 70 performs a reforming process on the electrolyte membrane 2 by at least ultraviolet irradiation. In FIG. 2 and the subsequent figures, an XYZ orthogonal coordinate system in which the Z-axis direction is the vertical direction and the XY plane is the horizontal plane is appropriately attached to clarify the directional relationship. Further, in FIG. 2 and the subsequent drawings, the dimensions and the number of each part are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.

改質ユニット70は、主たる要素として第1巻出ローラ71、紫外線照射部72、一対のプレスローラ73,73、および、第1巻取ローラ74を備える。第1巻出ローラ71は、保護のためのフロントシート5およびバックシート6が貼り合わされた電解質膜2が巻回されており、その電解質膜2を連続的に送り出す。電解質膜2は、第1巻出ローラ71から送り出されて第1巻取ローラ74によって巻き取られることにより、紫外線照射部72からプレスローラ73,73の順にロールトゥロール方式にて連続して一定速度で搬送される。改質ユニット70では、電解質膜2がその表面を上側に向けて搬送される。   The reforming unit 70 includes a first unwinding roller 71, an ultraviolet irradiation unit 72, a pair of press rollers 73 and 73, and a first winding roller 74 as main elements. The first unwinding roller 71 is wound with the electrolyte membrane 2 on which the protective front sheet 5 and back sheet 6 are bonded, and continuously feeds out the electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 is sent out from the first winding roller 71 and wound up by the first winding roller 74, so that the electrolyte film 2 is continuously fixed in a roll-to-roll manner in the order of the ultraviolet irradiation unit 72 to the press rollers 73 and 73. Transported at speed. In the reforming unit 70, the electrolyte membrane 2 is conveyed with its surface facing upward.

電解質膜2としては、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、ゴア(Gore)社製のGoreselect(登録商標))が使用される。電解質膜2は、パーフルオロカーボンスルホン酸に加えて補強材として延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含んでいる。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71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フロントシート5およびバックシート6付きの電解質膜2が巻回されている。フロントシート5およびバックシート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の表面にフロントシート5が貼り合わされ、裏面にバックシート6が貼り合わされている。   As the electrolyte membrane 2, a polymer electrolyte membrane containing perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Goreselect (registered trademark) manufactured by Gore) is used. The electrolyte membrane 2 contains expanded porous polytetrafluoroethylene (PTFE) as a reinforcing material in addition to perfluorocarbon sulfonic acid. The electrolyte membrane 2 is very thin and weak in mechanical strength, and easily swells even with a small amount of moisture in the atmosphere, while shrinking when the humidity is low, and is very easily deformed. Therefore, the electrolyte film 2 with the front sheet 5 and the back sheet 6 is wound around the first unwinding roller 71 as an initial state in order to prevent deformation of the electrolyte film 2. As the front sheet 5 and the back sheet 6, a resin material having a high mechanical strength and an excellent shape holding function, for example, a film of PEN (polyethylene naphthalate) or PET (polyethylene terephthalate) can be used. In the present embodiment, the front sheet 5 is bonded to the surface of the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6 is bonded to the back surface.

第1巻出ローラ71に巻回された初期状態の電解質膜2において、電解質膜2自体の膜厚は5μm〜30μmであり、幅は最大で300mm程度である。また、フロントシート5およびバックシート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、フロントシート5およびバックシート6の幅は電解質膜2の幅と同じであっても良い。   In the electrolyte membrane 2 in the initial state wound around the first unwinding roller 71, the thickness of the electrolyte membrane 2 itself is 5 μm to 30 μm, and the width is about 300 mm at the maximum. The film thickness of the front sheet 5 and the back sheet 6 is 25 μm to 100 μm, and the width is slightly larger than the width of the electrolyte membrane 2. Note that the width of the front sheet 5 and the back sheet 6 may be the same as the width of the electrolyte membrane 2.

第1巻出ローラ71から第1巻取ローラ74へと向かう電解質膜2の搬送経路の最上流には、一対の剥離ローラ76,76およびフロントシート巻取ローラ75が設けられている。第1巻出ローラ71から送り出された電解質膜2はその表面を上側に向けて搬送されるため、電解質膜2の上側および下側にそれぞれフロントシート5およびバックシート6が貼付された状態である。一対の剥離ローラ76,76では、これらのうちの上側のフロントシート5が電解質膜2から剥離される。剥離されたフロントシート5は、フロントシート巻取ローラ75によって巻き取られる。   A pair of peeling rollers 76 and 76 and a front sheet take-up roller 75 are provided in the uppermost stream on the transport path of the electrolyte membrane 2 from the first take-up roller 71 to the first take-up roller 74. Since the electrolyte membrane 2 delivered from the first unwinding roller 71 is conveyed with its surface facing upward, the front sheet 5 and the back sheet 6 are adhered to the upper and lower sides of the electrolyte membrane 2, respectively. . In the pair of peeling rollers 76, 76, the upper front sheet 5 is peeled from the electrolyte membrane 2. The peeled front sheet 5 is taken up by a front sheet take-up roller 75.

第1巻出ローラ71から第1巻取ローラ74へと向かう電解質膜2の搬送経路に沿って剥離ローラ76,76の下流側に紫外線照射部72が設置されている。紫外線照射部72は電解質膜2の搬送経路の上方に設けられる。紫外線照射部72は、紫外線ランプ72aを内蔵しており(図10参照)、搬送経路に沿って一定速度で搬送される電解質膜2の表面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を照射する。紫外線ランプ72aとしては、例えば低圧水銀灯を用いることができる。また、紫外線ランプ72aは、低圧水銀灯に限定されるものではなく、例えばエキシマランプやLEDであっても良い。   An ultraviolet irradiation unit 72 is installed on the downstream side of the peeling rollers 76 along the transport path of the electrolyte membrane 2 from the first winding roller 71 to the first winding roller 74. The ultraviolet irradiation unit 72 is provided above the transport path of the electrolyte membrane 2. The ultraviolet irradiation unit 72 has a built-in ultraviolet lamp 72a (see FIG. 10), and irradiates the surface of the electrolyte membrane 2 conveyed at a constant speed along the conveyance path with ultraviolet rays within a wavelength range of 100 nm to 400 nm. For example, a low-pressure mercury lamp can be used as the ultraviolet lamp 72a. Moreover, the ultraviolet lamp 72a is not limited to a low pressure mercury lamp, For example, an excimer lamp and LED may be sufficient.

紫外線照射部72が照射する紫外線の波長は、紫外線ランプ72aの種類に依拠しており、例えば低圧水銀灯を用いた場合には、波長185nmおよび254nmの紫外線を照射することができる。また、紫外線照射部72は、紫外線ランプ72aにエキシマランプを採用した場合には波長172nmの紫外線を照射することができ、LEDを採用した場合には波長365nm,385nm,395nmの紫外線を照射することができる。紫外線照射部72から電解質膜2の表面に照射される紫外線の照度および積算光量についてはさらに後述する。   The wavelength of the ultraviolet rays irradiated by the ultraviolet irradiation unit 72 depends on the type of the ultraviolet lamp 72a. For example, when a low-pressure mercury lamp is used, ultraviolet rays having wavelengths of 185 nm and 254 nm can be irradiated. The ultraviolet irradiation unit 72 can irradiate ultraviolet rays having a wavelength of 172 nm when an excimer lamp is used as the ultraviolet lamp 72 a, and irradiates ultraviolet rays having a wavelength of 365 nm, 385 nm, and 395 nm when an LED is used. Can do. The illuminance of ultraviolet rays and the integrated light amount irradiated onto the surface of the electrolyte membrane 2 from the ultraviolet irradiation unit 72 will be described later.

第1巻出ローラ71から第1巻取ローラ74へと向かう電解質膜2の搬送経路に沿って紫外線照射部72のさらに下流側に一対のプレスローラ73,73が設けられている。一対のプレスローラ73,73は、双方の間隔(ロールギャップ)が所定値となるように配置されている。一対のプレスローラ73,73のロールギャップは、電解質膜2とバックシート6との合計厚さよりも小さな値に調整されている。従って、搬送される電解質膜2が一対のプレスローラ73,73の間を通過することによって、バックシート6に貼り合わされた電解質膜2が表面側および裏面側から一対のプレスローラ73,73に挟まれて圧縮される。   A pair of press rollers 73 and 73 are provided on the further downstream side of the ultraviolet irradiation unit 72 along the conveying path of the electrolyte membrane 2 from the first unwinding roller 71 to the first winding roller 74. The pair of press rollers 73, 73 are arranged such that the distance between them (roll gap) is a predetermined value. The roll gap of the pair of press rollers 73 and 73 is adjusted to a value smaller than the total thickness of the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6. Therefore, when the electrolyte membrane 2 to be conveyed passes between the pair of press rollers 73 and 73, the electrolyte membrane 2 bonded to the back sheet 6 is sandwiched between the pair of press rollers 73 and 73 from the front surface side and the back surface side. Compressed.

また、一対のプレスローラ73,73は、加熱部77によって加熱される。加熱部77としては、例えばプレスローラ73,73に内蔵されたヒータに電力を供給する機構であっても良いし、プレスローラ73,73に設けられた配管に温水を供給する機構であっても良い。加熱部77は、一対のプレスローラ73,73を50℃以上180℃以下の所定温度に加熱する。これにより、電解質膜2は一対のプレスローラ73,73によって加熱されつつ圧縮される(ホットプレス)こととなる。   Further, the pair of press rollers 73 and 73 are heated by the heating unit 77. The heating unit 77 may be, for example, a mechanism that supplies power to the heaters built in the press rollers 73 and 73, or a mechanism that supplies hot water to the piping provided in the press rollers 73 and 73. good. The heating unit 77 heats the pair of press rollers 73 and 73 to a predetermined temperature of 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. Accordingly, the electrolyte membrane 2 is compressed while being heated by the pair of press rollers 73 and 73 (hot pressing).

一対のプレスローラ73,73を通過した電解質膜2は第1巻取ローラ74によって巻き取られる。第1巻取ローラ74は、裏面にバックシート6が貼り合わされた電解質膜2を巻き取る。また、第1巻取ローラ74は、第1巻出ローラ71から送り出された電解質膜2に一定の張力を与える。   The electrolyte membrane 2 that has passed through the pair of press rollers 73, 73 is taken up by the first take-up roller 74. The first winding roller 74 winds the electrolyte membrane 2 having the back sheet 6 bonded to the back surface. The first winding roller 74 gives a certain tension to the electrolyte membrane 2 fed from the first winding roller 71.

図3は、表面処理ユニット10の概略構成を示す図である。表面処理ユニット10は、第2巻出ローラ11、表面塗工ノズル12、第1乾燥炉13および第2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。第2巻出ローラ11には、改質ユニット70の第1巻取ローラ74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2巻出ローラ11から送り出されて第2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。   FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the surface treatment unit 10. The surface treatment unit 10 includes a second unwinding roller 11, a surface coating nozzle 12, a first drying furnace 13, and a second winding roller 14. The surface treatment unit 10 applies electrode ink on the surface of the electrolyte membrane 2 to form a catalyst layer. Form. The roll of the electrolyte membrane 2 wound by the first winding roller 74 of the reforming unit 70 is attached to the second winding roller 11. That is, the second unwinding roller 11 is wound with the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 and continuously sends out the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6. The electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 is fed from the second unwinding roller 11 and wound up by the second winding roller 14, so that the surface coating nozzle 12 and the first drying furnace 13 are sequentially rolled to roll. Are continuously conveyed.

第2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の搬送経路の途中に表面塗工ノズル12が設けられている。表面塗工ノズル12は、電解質膜2の幅方向に沿って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、その吐出口からの吐出方向が概ね水平方向(X軸方向)に沿うように設置されている。また、表面塗工ノズル12には、バックアップローラ15と吐出口との間隔を調整する機構および姿勢を規定する機構が付設されている(いずれも図示省略)。   A surface coating nozzle 12 is provided in the middle of the transport path of the electrolyte membrane 2 from the second unwinding roller 11 to the first winding roller 14. The surface coating nozzle 12 is a slit nozzle provided with a slit-like discharge port along the width direction of the electrolyte membrane 2. The longitudinal direction of the slit-like discharge port is the Y-axis direction. The surface coating nozzle 12 is installed so that the discharge direction from the discharge port is substantially along the horizontal direction (X-axis direction). Further, the surface coating nozzle 12 is provided with a mechanism for adjusting the interval between the backup roller 15 and the discharge port and a mechanism for defining the posture (both not shown).

バックアップローラ15は、表面塗工ノズル12と電解質膜2を挟んで対向して設けられている。バックアップローラ15は、その回転軸が表面塗工ノズル12の吐出口と平行な水平方向に沿うように回転自在に設けられている。バックアップローラ15は、第2巻出ローラ11から送り出されて搬送される電解質膜2の裏面を支持する。より厳密には、バックアップローラ15は直接には電解質膜2の裏面に貼り合わされたバックシート6に接触して電解質膜2を支持する。よって、表面塗工ノズル12は、その吐出口がバックアップローラ15によって支持される電解質膜2の表面に対向するように設けられる。   The backup roller 15 is provided facing the surface coating nozzle 12 and the electrolyte membrane 2. The backup roller 15 is rotatably provided so that its rotation axis is along a horizontal direction parallel to the discharge port of the surface coating nozzle 12. The backup roller 15 supports the back surface of the electrolyte membrane 2 that is fed from the second unwinding roller 11 and conveyed. More precisely, the backup roller 15 directly contacts the back sheet 6 bonded to the back surface of the electrolyte membrane 2 to support the electrolyte membrane 2. Therefore, the surface coating nozzle 12 is provided so that its discharge port faces the surface of the electrolyte membrane 2 supported by the backup roller 15.

バックアップローラ15は、回転軸と垂直な方向に対しては固定されているため、表面塗工ノズル12の吐出口とバックアップローラ15の外周面との間隔は常に一定である。このため、バックアップローラ15によって支持された電解質膜2と表面塗工ノズル12の吐出口との間隔は安定して常に一定となる。   Since the backup roller 15 is fixed in a direction perpendicular to the rotation axis, the distance between the discharge port of the surface coating nozzle 12 and the outer peripheral surface of the backup roller 15 is always constant. For this reason, the distance between the electrolyte membrane 2 supported by the backup roller 15 and the discharge port of the surface coating nozzle 12 is stable and always constant.

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。   Electrode ink is supplied to the surface coating nozzle 12 as a coating liquid from a coating liquid supply mechanism (not shown). The electrode ink used in this embodiment contains, for example, catalyst particles, an ion conductive electrolyte, and a dispersion medium. As the catalyst particles, known or commercially available particles can be used, and are not particularly limited as long as they cause a fuel cell reaction at the anode or cathode of the polymer fuel cell. For example, platinum (Pt), platinum alloy Platinum compounds can be used. Among these, as the platinum alloy, for example, at least one selected from the group consisting of ruthenium (Ru), palladium (Pd), nickel (Ni), molybdenum (Mo), iridium (Ir), iron (Fe), and the like. An alloy of metal and platinum can be mentioned. Generally, platinum is used for the catalyst particles of the electrode ink for the cathode, and the above-described platinum alloy is used for the catalyst particles of the electrode ink for the anode.

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。   The catalyst particles may be so-called catalyst-supported carbon powder in which catalyst fine particles are supported on carbon powder. The average particle size of the catalyst-supporting carbon is usually about 10 nm to 100 nm, preferably about 20 nm to 80 nm, and most preferably about 40 nm to 50 nm. The carbon powder supporting the catalyst fine particles is not particularly limited, and examples thereof include carbon black such as channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black, and lamp black, graphite, activated carbon, carbon fiber, and carbon nanotube. It is done. These may be used alone or in combination of two or more.

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。   A solvent is added to the catalyst particles as described above to obtain a paste that can be applied from a slit nozzle. As the solvent, water, ethanol, alcohols such as n-propanol and n-butanol, and organic solvents such as ethers, esters and fluorines can be used.

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。   Further, a polymer electrolyte solution having an ion exchange group is added to a solution in which catalyst particles are dispersed in a solvent. As an example, carbon black supporting 50 wt% platinum (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) is dispersed in water, ethanol, and a polymer electrolyte solution (Nafion liquid “D2020” manufactured by DuPont, USA). Ink can be obtained. The paste thus mixed is supplied to the surface coating nozzle 12 as electrode ink.

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、バックアップローラ15によって支持された状態で走行する電解質膜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。   The surface coating nozzle 12 discharges the supplied electrode ink as described above from the discharge port, and coats the surface of the electrolyte membrane 2 that travels while being supported by the backup roller 15. The surface coating nozzle 12 can perform continuous coating when discharging electrode ink continuously, and can perform intermittent coating when discharging electrode ink intermittently.

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13参照)。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。   The first drying furnace 13 is installed on the downstream side of the surface coating nozzle 12 in the middle of the conveying path of the electrolyte membrane 2. The 1st drying furnace 13 performs the drying process of the electrode ink coated on the surface of the electrolyte membrane 2 by blowing and heating a hot air to the electrolyte membrane 2 which passes through the inside. By this drying treatment, the solvent is evaporated from the electrode ink to form the catalyst layer 9 (see FIG. 13). As the first drying furnace 13, a known hot air drying furnace can be used.

第1乾燥炉13を通過した電解質膜2は第2巻取ローラ14によって巻き取られる。第2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2巻取ローラ14は、第2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。   The electrolyte membrane 2 that has passed through the first drying furnace 13 is wound up by the second winding roller 14. The 2nd winding roller 14 winds up the electrolyte membrane 2 in which the catalyst layer 9 is formed only on the surface while the back sheet 6 is bonded to the back surface. The second winding roller 14 gives a certain tension to the electrolyte membrane 2 fed from the second winding roller 11.

図4は、裏面処理ユニット20の概略構成を示す図である。裏面処理ユニット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。裏面処理ユニット20は、電解質膜2の裏面に電極インクを塗工して触媒層を形成する。   FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the back surface processing unit 20. The back surface processing unit 20 is a main part for performing the film forming process on the back surface side of the electrolyte membrane 2, and a peeling portion 30 that peels the back sheet 6 from the electrolyte membrane 2, and an adsorption that supports and conveys the electrolyte membrane 2. A roller 21, a back coating nozzle 40 that applies electrode ink to the back surface of the electrolyte membrane 2, and a second drying furnace 50 that heats and dries the applied electrode ink. The back surface processing unit 20 applies electrode ink to the back surface of the electrolyte membrane 2 to form a catalyst layer.

剥離部30は第1プレスローラ31を備える。また、裏面処理ユニット20は、第3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3巻出ローラ32には、表面処理ユニット10の第2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3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3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。   The peeling unit 30 includes a first press roller 31. The back surface processing unit 20 includes a third unwinding roller 32, an auxiliary roller 33, and a back sheet winding roller 34. On the third unwinding roller 32, a roll of the electrolyte membrane 2 wound by the second winding roller 14 of the surface treatment unit 10 is mounted. That is, the back sheet 6 is bonded to the back surface of the electrolyte membrane 2 wound around the third unwinding roller 32, and the catalyst layer 9 is formed on the surface. The third unwinding roller 32 continuously sends out such an electrolyte membrane 2.

第3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。   The electrolyte membrane 2 sent out from the third unwinding roller 32 is suspended by the auxiliary roller 33 and pressed against the suction roller 21 by the first press roller 31. The first press roller 31 is closely supported at a position spaced apart from the outer peripheral surface of the suction roller 21 by a cylinder (not shown). The distance between the first press roller 31 and the outer peripheral surface of the suction roller 21 is smaller than the thickness of the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6. Therefore, when the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 passes between the first press roller 31 and the adsorption roller 21, the surface of the electrolyte membrane 2 including the catalyst layer 9 is pressed against the adsorption roller 21. The force with which the first press roller 31 presses the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 against the suction roller 21 is controlled by adjusting the distance between the first press roller 31 and the suction roller 21 by the cylinder.

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3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。   When the first press roller 31 presses the surface of the electrolyte membrane 2 against the adsorption roller 21, the electrolyte membrane 2 is adsorbed on the outer peripheral surface of the adsorption roller 21. At this time, the back sheet 6 is peeled off from the back surface of the electrolyte membrane 2 and wound around the back sheet winding roller 34. That is, the first press roller 31 of the peeling unit 30 plays a role of peeling the back sheet 6 from the electrolyte film 2 with the back sheet 6 and pressing the electrolyte film 2 against the adsorption roller 21 for adsorption. The back sheet take-up roller 34 is continuously rotated by a motor (not shown) to continuously take up the back sheet 6 and from the third unwind roller 32 through the auxiliary roller 33 to the first press roller 31. A constant tension is applied to the electrolyte membrane 2 with the backsheet 6 that reaches the point.

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。   The suction roller 21 is a cylindrical member that is installed so that the central axis is along the Y-axis direction. The size of the suction roller 21 is, for example, a height (length in the Y-axis direction) of 400 mm and a diameter of 400 mm to 1600 mm. The suction roller 21 is rotated in a direction indicated by an arrow AR1 in FIG. 1 about a central axis along the Y-axis direction as a rotation center by a motor (not shown).

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)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。 The suction roller 21 is a porous roller made of porous carbon or porous ceramics. As the porous ceramic, for example, a sintered body of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) can be used. The pore diameter of the porous adsorption roller 21 is 5 μm or less, and the porosity is in the range of 15% to 50%. Further, the surface roughness of the outer peripheral surface (circumferential surface of the cylinder) of the suction roller 21 has an Rz (maximum height) of 5 μm or less, and it is preferable that this value is smaller. Furthermore, the total runout of the suction roller 21 during rotation (variation in the distance from the rotation shaft to the outer peripheral surface) is set to 10 μm or less.

図5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。   FIG. 5 is a diagram illustrating configurations of the suction roller 21 and the second drying furnace 50. A suction port 23 is provided on the upper surface and / or the bottom surface of the suction roller 21. The suction port 23 is sucked by a suction mechanism (for example, an exhaust pump) (not shown) and given a negative pressure. Since the suction roller 21 is porous with a porosity of 15% to 50%, when a negative pressure is applied to the suction port 23, a negative value of a predetermined value is also applied to the outer peripheral surface of the suction roller 21 through the internal pores. The pressure (pressure sucked from the surrounding atmosphere to the outer peripheral surface) acts uniformly. For example, in the present embodiment, by applying a negative pressure of 90 kPa or more to the suction port 23, a negative pressure of 10 kPa or more acts uniformly on the outer peripheral surface of the suction roller 21. Thereby, the adsorption roller 21 can uniformly adsorb the electrolyte membrane 2 over the entire region in the width direction (Y-axis direction).

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。   The suction roller 21 is provided with a plurality of water-cooled tubes 22. The water cooling tubes 22 are provided with a uniform arrangement density so as to go around the inside of the suction roller 21. The water cooling pipe 22 is supplied with constant temperature water whose temperature is adjusted to a predetermined temperature from a water supply mechanism (not shown). The constant temperature water that has flowed through the water cooling pipe 22 is discharged to a drainage mechanism (not shown). By flowing constant temperature water through the water cooling tube 22, the suction roller 21 is cooled.

図4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。   Returning to FIG. 4, a back surface coating nozzle 40 is provided to face the outer peripheral surface of the suction roller 21. The back coating nozzle 40 is provided on the downstream side of the first press roller 31 in the conveying direction of the electrolyte membrane 2 by the adsorption roller 21. The back surface coating nozzle 40 is a slit nozzle having a slit-like discharge port at the tip (end on the (+ X) side). The longitudinal direction of the slit-like discharge port is the Y-axis direction. The back surface coating nozzle 40 is provided at a position where a slit-like discharge port is spaced a predetermined distance from the outer peripheral surface of the suction roller 21. Further, the back surface coating nozzle 40 is provided such that its position and posture with respect to the suction roller 21 can be adjusted by a driving mechanism (not shown).

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。   Electrode ink is supplied to the back surface coating nozzle 40 as a coating liquid from a coating liquid supply mechanism (not shown). The electrode ink supplied to the back surface coating nozzle 40 is the same as described above, but has the opposite polarity to the electrode ink supplied to the front surface coating nozzle 12. For example, when anode electrode ink is supplied to the front surface coating nozzle 12, cathode electrode ink is supplied to the back surface coating nozzle 40.

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、表面処理ユニット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。   The back surface coating nozzle 40 discharges the supplied electrode ink from the discharge port and coats the back surface of the electrolyte membrane 2 that is sucked and conveyed by the suction roller 21. Similar to the front surface coating nozzle 12, the back surface coating nozzle 40 can perform continuous coating when discharging electrode ink continuously, and can perform intermittent coating when discharging electrode ink intermittently. it can. However, when the surface coating nozzle 12 performs continuous coating in the surface treatment unit 10, the back surface coating nozzle 40 also performs continuous coating, and when the surface coating nozzle 12 performs intermittent coating, the back surface coating nozzle 40 40 also performs intermittent coating.

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5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。   The second drying furnace 50 is provided so as to cover a part of the outer peripheral surface of the suction roller 21. As shown in FIG. 5, the second drying furnace 50 is divided into a total of five zones including three drying zones 51, 52, 53 and two heat blocking zones 54, 55. Each of the three drying zones 51, 52, 53 blows hot air toward the outer peripheral surface of the suction roller 21 by hot air blowing from a hot air blowing unit (not shown). By blowing hot air from the second drying furnace 50, the electrode ink applied to the back surface of the electrolyte membrane 2 is dried.

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5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。   The three drying zones 51, 52, and 53 have different temperatures of hot air to be blown. The temperature of the hot air blown by the three drying zones 51, 52, and 53 increases sequentially from the upstream side to the downstream side in the conveying direction of the electrolyte membrane 2 by the adsorption roller 21 (clockwise on the paper surface of FIG. 5). . For example, the hot air temperature of the most upstream drying zone 51 is room temperature to 40 ° C., the hot air temperature of the intermediate drying zone 52 is 40 ° C. to 80 ° C., and the hot air temperature of the most downstream drying zone 53 is 50 ° C. ~ 100 ° C.

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。   The two heat shielding zones 54 and 55 are provided at both ends of the drying zones 51, 52 and 53 along the transport direction of the electrolyte membrane 2. The heat insulation zone 54 is provided on the upstream side of the drying zone 51, and the heat insulation zone 55 is provided on the downstream side of the drying zone 53. The two heat shut-off zones 54 and 55 suck the atmosphere in the vicinity of the outer peripheral surface of the suction roller 21 by exhaust from an exhaust unit (not shown). This prevents hot air blown from the drying zones 51, 52, and 53 from flowing beyond the second drying furnace 50 to the upstream side and downstream side of the adsorption roller 21, and the solvent vapor generated from the electrode ink during drying. And the like can be prevented from leaking out of the second drying furnace 50. If at least the upstream heat blocking zone 54 is provided, the coating is caused by the hot air blown from the drying zones 51, 52, 53 flowing into the back surface coating nozzle 40 and drying the vicinity of the discharge port. The occurrence of defects can be prevented.

図6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。   FIG. 6 is a front view of the suction roller 21 and the second drying furnace 50. The second drying furnace 50 is provided with suction portions 56 and 57 at both ends along the width direction (Y-axis direction) of the suction roller 21. The suction units 56 and 57 suck the surrounding atmosphere as in the heat blocking zones 54 and 55. As a result, hot air, solvent vapor, and the like that are about to leak from both ends in the width direction of the drying furnace 40 can also be sucked and collected.

図4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。   Returning to FIG. 4, a second press roller 39 is provided on the downstream side of the second drying furnace 50 along the conveying direction of the electrolyte membrane 2 by the adsorption roller 21. The second press roller 39 is closely supported at a position spaced apart from the outer peripheral surface of the suction roller 21 by a cylinder (not shown). The distance between the second press roller 39 and the outer peripheral surface of the adsorption roller 21 is smaller than the thickness of the electrolyte membrane 2 after the drying process (the total thickness of the electrolyte membrane 2 and the catalyst layers 9 on both the front and back surfaces). Therefore, when the electrolyte membrane 2 after the drying process passes between the second press roller 39 and the adsorption roller 21, the back surface of the electrolyte membrane 2 including the catalyst layer 9 is pressed against the second press roller 39.

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。   When the back surface of the electrolyte membrane 2 is pressed against the second press roller 39, the electrolyte membrane 2 is peeled off from the adsorption roller 21, wound around the second press roller 39, and sent further downstream. In addition, the 1st press roller 31 and the 2nd press roller 39 may be a metal roller which has a width | variety comparable as the adsorption | suction roller 21, and may be a resin-made roller. The diameters of the first press roller 31 and the second press roller 39 can be set appropriately.

裏面処理ユニット20は、さらに追加乾燥炉59および第3巻取ローラ38を備える。第2プレスローラ39から送り出された電解質膜2が第3巻取ローラ38によって巻き取られることにより、電解質膜2は第2プレスローラ39から追加乾燥炉59を経て第3巻取ローラ38へと順に連続して搬送される。   The back surface processing unit 20 further includes an additional drying furnace 59 and a third winding roller 38. The electrolyte membrane 2 fed from the second press roller 39 is taken up by the third take-up roller 38, so that the electrolyte membrane 2 passes from the second press roller 39 to the third take-up roller 38 through the additional drying furnace 59. Conveyed sequentially.

追加乾燥炉59は、第2プレスローラ39と第3巻取ローラ38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3として完成する。   The additional drying furnace 59 is disposed between the second press roller 39 and the third winding roller 38. As the additional drying furnace 59, a known hot air drying furnace can be used. The electrolyte membrane 2 sent out by the second press roller 39 passes through the additional drying furnace 59, whereby the finishing drying of the catalyst layer 9 is performed. The catalyst layer 9 on both surfaces of the electrolyte membrane 2 is completely dried to complete the membrane / catalyst layer assembly 3.

追加乾燥炉59を通過した膜・触媒層接合体3は第3巻取ローラ38によって巻き取られる。第3巻取ローラ38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3)を巻き取る。このときに、アノード電極の触媒層9とカソード電極の触媒層9との接触を防止するために、PENやPETなどのフィルムを合紙として膜・触媒層接合体3の層間に挟み込むようにしても良い。   The membrane / catalyst layer assembly 3 that has passed through the additional drying furnace 59 is wound up by the third winding roller 38. The third winding roller 38 winds up the electrolyte membrane 2 (that is, the membrane / catalyst layer assembly 3) having the catalyst layers 9 formed on both the front and back surfaces. At this time, in order to prevent contact between the catalyst layer 9 of the anode electrode and the catalyst layer 9 of the cathode electrode, a film such as PEN or PET is sandwiched between the layers of the membrane / catalyst layer assembly 3 as a slip sheet. Also good.

さらに、膜・触媒層接合体の製造システム1は、改質ユニット70、表面処理ユニット10および裏面処理ユニット20に設けられた各機構を制御する制御部90を備える(図1)。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、製造システム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3の製造処理が進行する。   Further, the membrane / catalyst layer assembly manufacturing system 1 includes a control unit 90 that controls each mechanism provided in the reforming unit 70, the surface treatment unit 10, and the back surface treatment unit 20 (FIG. 1). The configuration of the control unit 90 as hardware is the same as that of a general computer. That is, the control unit 90 stores a CPU that performs various arithmetic processes, a ROM that is a read-only memory that stores basic programs, a RAM that is a readable and writable memory that stores various information, control software, data, and the like. It is configured with a magnetic disk. When the CPU of the control unit 90 executes a predetermined processing program, each operation mechanism provided in the manufacturing system 1 is controlled, and the manufacturing process of the membrane / catalyst layer assembly 3 proceeds.

次に、上記の構成を有する膜・触媒層接合体の製造システム1における処理手順について説明する。図7および図8は、製造システム1において膜・触媒層接合体3が製造される手順を示すフローチャートである。図7に示すのは主に改質ユニット70および表面処理ユニット10における処理であり、図8に示すのは裏面処理ユニット20における処理である。以下に説明する膜・触媒層接合体3の製造手順は、制御部90が製造システム1の各動作機構を制御することにより進行する。   Next, a processing procedure in the production system 1 of the membrane / catalyst layer assembly having the above-described configuration will be described. 7 and 8 are flowcharts showing a procedure for manufacturing the membrane / catalyst layer assembly 3 in the manufacturing system 1. FIG. 7 mainly shows the processing in the reforming unit 70 and the surface treatment unit 10, and FIG. 8 shows the processing in the back surface treatment unit 20. The manufacturing procedure of the membrane / catalyst layer assembly 3 described below proceeds by the control unit 90 controlling each operation mechanism of the manufacturing system 1.

まず、改質ユニット70の第1巻出ローラ71が電解質膜2を巻き出す(ステップS1)。第1巻出ローラ71から巻き出された電解質膜2が第1巻取ローラ74によって巻き取られることにより、電解質膜2はロールトゥロール方式にて連続して一定速度で搬送される。第1巻出ローラ71から巻き出された電解質膜2の表面および裏面のそれぞれにはフロントシート5およびバックシート6が貼り合わされている。   First, the first unwinding roller 71 of the reforming unit 70 unwinds the electrolyte membrane 2 (step S1). When the electrolyte membrane 2 unwound from the first unwinding roller 71 is wound up by the first winding roller 74, the electrolyte membrane 2 is continuously conveyed at a constant speed by a roll-to-roll method. A front sheet 5 and a back sheet 6 are bonded to the front and back surfaces of the electrolyte membrane 2 unwound from the first unwinding roller 71, respectively.

図9は、フロントシート5およびバックシート6が貼り合わされた電解質膜2の断面図である。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フロントシート5およびバックシート6が電解質膜2の表裏面に貼り付けられた状態となっている。改質ユニット70の第1巻出ローラ71には、そのような電解質膜2が巻回されており、未処理の電解質膜2として巻き出される。第1巻出ローラ71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、フロントシート5およびバックシート6がそれぞれ上側および下側となるように)搬送される。   FIG. 9 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane 2 to which the front sheet 5 and the back sheet 6 are bonded. As described above, the electrolyte membrane 2 for use in a polymer electrolyte fuel cell is very easily deformed by a small amount of moisture contained in the atmosphere. The front sheet 5 and the back sheet 6, which are band-shaped resin films, are in a state of being attached to the front and back surfaces of the electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 is wound around the first unwinding roller 71 of the reforming unit 70 and unwound as the untreated electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 delivered from the first unwinding roller 71 is conveyed with its surface facing upward (that is, the front sheet 5 and the back sheet 6 are on the upper side and the lower side, respectively).

第1巻出ローラ71から送り出された図9の如き電解質膜2から一対の剥離ローラ76,76によってフロントシート5が剥離される(ステップS2)。剥離ローラ76,76によって剥離されたフロントシート5はフロントシート巻取ローラ75によって巻き取られる。第1巻出ローラ71から第1巻取ローラ74へと向かう電解質膜2の搬送経路に沿って一対の剥離ローラ76,76よりも下流側においては、裏面がバックシート6に貼り合わされた帯状の電解質膜2が一定速度で搬送されることとなる。   The front sheet 5 is peeled off from the electrolyte membrane 2 as shown in FIG. 9 fed from the first unwinding roller 71 by the pair of peeling rollers 76, 76 (step S2). The front sheet 5 peeled off by the peeling rollers 76 and 76 is taken up by the front sheet take-up roller 75. On the downstream side of the pair of peeling rollers 76, 76 along the transport path of the electrolyte membrane 2 from the first winding roller 71 to the first winding roller 74, the back surface is bonded to the back sheet 6. The electrolyte membrane 2 is transported at a constant speed.

第1巻出ローラ71および第1巻取ローラ74によって一定速度で搬送される電解質膜2の表面に紫外線照射部72から紫外線が照射される(ステップS3)。図10は、電解質膜2に対する紫外線照射を示す図である。紫外線照射部72が内蔵する紫外線ランプ72aは、波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を電解質膜2の表面に照射する。パーフルオロカーボンスルホン酸と補強材としてのポリテトラフルオロエチレンとを含む電解質膜2は、波長100nm〜400nmの範囲内の光に対して透明であるため、紫外線照射部72が照射する紫外線を透過する。このため、図10に示すように、紫外線照射部72から照射された紫外線は、電解質膜2の表面からバックシート6と貼り合わされた裏面にまで到達する。   Ultraviolet rays are irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 onto the surface of the electrolyte membrane 2 conveyed at a constant speed by the first winding roller 71 and the first winding roller 74 (step S3). FIG. 10 is a diagram showing ultraviolet irradiation on the electrolyte membrane 2. The ultraviolet lamp 72 a built in the ultraviolet irradiation unit 72 irradiates the surface of the electrolyte membrane 2 with ultraviolet rays within a wavelength range of 100 nm to 400 nm. Since the electrolyte membrane 2 containing perfluorocarbon sulfonic acid and polytetrafluoroethylene as a reinforcing material is transparent to light within a wavelength range of 100 nm to 400 nm, the electrolyte membrane 2 transmits ultraviolet rays irradiated by the ultraviolet irradiation unit 72. For this reason, as shown in FIG. 10, the ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 reach the back surface bonded to the back sheet 6 from the surface of the electrolyte membrane 2.

紫外線照射部72から照射される紫外線の電解質膜2表面における照度は、0.03mW/cm以上100mW/cm以下である。電解質膜2の表面における紫外線の照度は、紫外線照射部72を設置する高さ位置、すなわち紫外線照射部72と電解質膜2との距離を調整することによって規定することができる。紫外線照射部72と電解質膜2との距離が大きくなるほど、電解質膜2の表面における紫外線の照度は小さくなる。 Illuminance in the electrolyte membrane second surface of the ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 is 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less. The illuminance of ultraviolet light on the surface of the electrolyte membrane 2 can be defined by adjusting the height position where the ultraviolet irradiation unit 72 is installed, that is, the distance between the ultraviolet irradiation unit 72 and the electrolyte membrane 2. As the distance between the ultraviolet irradiation unit 72 and the electrolyte membrane 2 increases, the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 decreases.

また、紫外線照射を受ける電解質膜2は、図10の矢印AR10にて示すように、第1巻出ローラ71および第1巻取ローラ74によって一定速度で搬送されている。従って、紫外線照射部72による照射時間は、電解質膜2表面における紫外線の照射幅(紫外線照射領域のX軸方向に沿った長さ)と電解質膜2の搬送速度とによって規定される。具体的には、紫外線の照射幅を電解質膜2の搬送速度によって除した値が照射時間であり、例えば紫外線の照射幅が9mmで電解質膜2の搬送速度が10mm/秒であれば紫外線照射時間は0.9秒となる。   In addition, the electrolyte membrane 2 that is irradiated with ultraviolet rays is conveyed at a constant speed by a first unwinding roller 71 and a first winding roller 74, as indicated by an arrow AR10 in FIG. Accordingly, the irradiation time by the ultraviolet irradiation unit 72 is defined by the ultraviolet irradiation width (the length along the X-axis direction of the ultraviolet irradiation region) on the surface of the electrolyte membrane 2 and the transport speed of the electrolyte membrane 2. Specifically, the irradiation time is a value obtained by dividing the irradiation width of the ultraviolet rays by the conveying speed of the electrolyte membrane 2. For example, if the irradiation width of the ultraviolet rays is 9 mm and the conveying speed of the electrolyte membrane 2 is 10 mm / second, the ultraviolet irradiation time Becomes 0.9 seconds.

電解質膜2の表面における紫外線の照度に照射時間を乗じた値が「積算光量」である。紫外線照射部72から電解質膜2に照射される紫外線の積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように調整される。より具体的には、積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下の範囲内となるように、紫外線照射部72による照度および照射幅並びに電解質膜2の搬送速度が調整される。 A value obtained by multiplying the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 by the irradiation time is the “integrated light amount”. The integrated light quantity of the ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 to the electrolyte membrane 2 is adjusted to be 1.8 mJ / cm 2 or more and 15000 mJ / cm 2 or less. More specifically, the illuminance and irradiation width by the ultraviolet irradiation unit 72 and the conveyance speed of the electrolyte membrane 2 are adjusted so that the integrated light quantity is in the range of 1.8 mJ / cm 2 to 15000 mJ / cm 2 .

このようにして紫外線照射部72は、電解質膜2の表面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射する。紫外線照射部72からの紫外線照射を受けた電解質膜2においては改質が促進される。電解質膜2は紫外線を透過するため、電解質膜2の膜厚方向の全体にわたって改質が進行する。また、紫外線照射部72から照射された紫外線は電解質膜2とバックシート6との貼り合わせ面にまで到達し、それらの間の密着性を高める。 UV irradiation section 72 in this way, the integrated light quantity of ultraviolet light in the range of wavelength 100nm~400nm the surface of the electrolyte membrane 2 at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance is 1.8mJ / cm irradiated at 2 or more 15,000 mJ / cm 2 or less. Modification is promoted in the electrolyte membrane 2 that has been irradiated with ultraviolet rays from the ultraviolet irradiation unit 72. Since the electrolyte membrane 2 transmits ultraviolet rays, the reforming proceeds over the entire thickness of the electrolyte membrane 2. Moreover, the ultraviolet-ray irradiated from the ultraviolet irradiation part 72 reaches | attains even to the bonding surface of the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6, and improves the adhesiveness between them.

次に、紫外線照射部72の下方を通過した電解質膜2が一対のプレスローラ73,73に到達し、ホットプレス処理が実行される(ステップS4)。図11は、電解質膜2に対するホットプレス処理を示す図である。電解質膜2は、第1巻出ローラ71および第1巻取ローラ74によって図中矢印AR11にて示す向きに搬送されている。電解質膜2は、一対のプレスローラ73,73の間を通過する。なお、電解質膜2の搬送速度に整合するように一対のプレスローラ73,73が図示省略の回転駆動機構によって回転されても良い。   Next, the electrolyte membrane 2 that has passed under the ultraviolet irradiation unit 72 reaches the pair of press rollers 73 and 73, and a hot press process is executed (step S4). FIG. 11 is a diagram showing a hot press process for the electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 is conveyed by the first unwinding roller 71 and the first winding roller 74 in the direction indicated by the arrow AR11 in the figure. The electrolyte membrane 2 passes between the pair of press rollers 73 and 73. Note that the pair of press rollers 73 and 73 may be rotated by a rotation drive mechanism (not shown) so as to match the conveying speed of the electrolyte membrane 2.

一対のプレスローラ73,73の間隔は、プレス前の電解質膜2およびバックシート6の合計厚さd1よりも小さな値に設定されている。従って、矢印AR11の向きに搬送される電解質膜2が一対のプレスローラ73,73の間を通過するときに、バックシート6に貼り合わされた電解質膜2が表面側および裏面側から一対のプレスローラ73,73に挟まれて圧縮される。ここで、一対のプレスローラ73,73による圧縮率=((プレス前の電解質膜2およびバックシート6の合計厚さd1−プレス後の電解質膜2およびバックシート6の合計厚さd2)/厚さd1)が20%以上60%以下となるようにロールギャップが調整されている。   The distance between the pair of press rollers 73, 73 is set to a value smaller than the total thickness d1 of the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6 before pressing. Therefore, when the electrolyte membrane 2 conveyed in the direction of the arrow AR11 passes between the pair of press rollers 73, 73, the electrolyte membrane 2 bonded to the back sheet 6 is paired with the pair of press rollers from the front surface side and the back surface side. It is compressed between 73 and 73. Here, the compression ratio by the pair of press rollers 73, 73 = ((total thickness d2 of electrolyte membrane 2 and backsheet 6 before pressing d1-total thickness d2 of electrolyte membrane 2 and backsheet 6 after pressing) / thickness The roll gap is adjusted so that the length d1) is 20% or more and 60% or less.

また、一対のプレスローラ73,73は加熱部77(図2参照)によって50℃以上180℃以下の所定温度に加熱されている。このような加熱されたプレスローラ73,73の間を電解質膜2が通過することによって、電解質膜2は加熱されつつ圧縮されるというホットプレス処理を受けることとなる。ホットプレス処理によって、電解質膜2の改質がさらに促進される。   The pair of press rollers 73 and 73 are heated to a predetermined temperature of 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower by a heating unit 77 (see FIG. 2). By passing the electrolyte membrane 2 between the heated press rollers 73, 73, the electrolyte membrane 2 is subjected to a hot press process in which it is compressed while being heated. The hot press treatment further promotes the modification of the electrolyte membrane 2.

プレスローラ73,73を通過した電解質膜2は第1巻取ローラ74によって巻き取られる。以上のようにして、改質ユニット70における、電解質膜2の改質処理が完了する。改質ユニット70では、紫外線照射とホットプレス処理とによってパーフルオロカーボンスルホン酸と補強材としてのポリテトラフルオロエチレンとを含む電解質膜2の改質を促進する。   The electrolyte membrane 2 that has passed through the press rollers 73, 73 is taken up by the first take-up roller 74. As described above, the reforming process of the electrolyte membrane 2 in the reforming unit 70 is completed. In the reforming unit 70, reforming of the electrolyte membrane 2 containing perfluorocarbon sulfonic acid and polytetrafluoroethylene as a reinforcing material is promoted by ultraviolet irradiation and hot press treatment.

次に、改質ユニット70の第1巻取ローラ74によって巻き取った電解質膜2のロールを表面処理ユニット20の第2巻出ローラ11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。   Next, the roll of the electrolyte membrane 2 wound up by the first winding roller 74 of the reforming unit 70 is reattached to the second winding roller 11 of the surface treatment unit 20 (step S5). This operation may be performed automatically by a lifter or the like, or may be performed manually by an operator.

改質された電解質膜2が表面処理ユニット10の第2巻出ローラ11に装着された後、第2巻出ローラ11がその電解質膜2を巻き出す(ステップS6)。第2巻出ローラ11から送り出される電解質膜2の裏面にはバックシート6が貼り合わされている。第2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2巻取ローラ14によって巻き取られる。第2巻出ローラ11は、表面が上側を向くように(つまり、バックシート6が下側となるように)電解質膜2を送り出す。   After the modified electrolyte membrane 2 is mounted on the second unwinding roller 11 of the surface treatment unit 10, the second unwinding roller 11 unwinds the electrolyte membrane 2 (step S6). A back sheet 6 is bonded to the back surface of the electrolyte membrane 2 fed from the second unwinding roller 11. The electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 continuously drawn out from the second unwinding roller 11 is conveyed from the surface coating nozzle 12 in the order of the first drying furnace 13 and is wound up by the second winding roller 14. The second unwinding roller 11 sends out the electrolyte membrane 2 so that the surface faces upward (that is, the back sheet 6 is on the lower side).

第2巻出ローラ11から送り出されて第2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S7)。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。   Electrode ink is applied from the surface coating nozzle 12 onto the surface of the electrolyte membrane 2 that is fed from the second winding roller 11 and wound up by the second winding roller 14 and continuously conveyed in a roll-to-roll manner. (Step S7). The electrode ink applied to the electrolyte membrane 2 of the polymer electrolyte fuel cell is as described above, and contains, for example, catalyst particles such as platinum or platinum alloy, an ion conductive electrolyte, and a dispersion medium. The electrode ink applied by the surface coating nozzle 12 may be for the cathode or for the anode.

表面塗工ノズル12は、バックアップローラ15によって支持されつつ連続搬送される電解質膜2の表面に電極インクを塗工する。バックアップローラ15によって安定して支持(厳密にはバックシート6の裏面から支持)された電解質膜2の表面と表面塗工ノズル12の吐出口との間隔は常に一定である。このため、表面塗工ノズル12は、電解質膜2の表面に電極インクを均一に塗工することができ、電解質膜2の表面に形成される塗膜の幅および膜厚は均一となる。   The surface coating nozzle 12 applies electrode ink to the surface of the electrolyte membrane 2 that is continuously conveyed while being supported by the backup roller 15. The distance between the surface of the electrolyte membrane 2 that is stably supported by the backup roller 15 (strictly supported from the back surface of the back sheet 6) and the discharge port of the surface coating nozzle 12 is always constant. Therefore, the surface coating nozzle 12 can uniformly apply the electrode ink to the surface of the electrolyte membrane 2, and the width and thickness of the coating film formed on the surface of the electrolyte membrane 2 are uniform.

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12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2巻出ローラ11から第2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12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。   In the present embodiment, the surface coating nozzle 12 intermittently discharges electrode ink, thereby intermittently coating the surface of the electrolyte membrane 2 that is continuously conveyed. FIG. 12 is a plan view showing a state in which electrode ink is intermittently applied to the surface of the electrolyte membrane 2. By intermittently discharging electrode ink from the surface coating nozzle 12 onto the surface of the electrolyte membrane 2 with the back sheet 6 conveyed at a constant speed from the second unwinding roller 11 toward the second winding roller 14, FIG. As shown in FIG. 12, rectangular electrode ink layers 8 having a predetermined size are formed discontinuously on the surface of the electrolyte membrane 2 at regular intervals.

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。   The width of each electrode ink layer 8 formed on the surface of the electrolyte membrane 2 is defined by the width of the slit-like discharge port of the surface coating nozzle 12. The length of each electrode ink layer 8 is defined by the electrode ink discharge time of the surface coating nozzle 12 and the transport speed of the electrolyte membrane 2. Further, the thickness (height) of the electrode ink layer 8 is defined by the distance between the slit-like discharge port of the surface coating nozzle 12 and the surface of the electrolyte membrane 2, the discharge flow rate of the electrode ink, and the transport speed of the electrolyte membrane 2. For example, it is 10 micrometers-300 micrometers. The electrode ink is a paste that can be applied from the surface coating nozzle 12, and has a viscosity that can maintain the shape of the electrode ink layer 8 on the electrolyte membrane 2.

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S8)。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、裏面処理ユニット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。   Next, when the electrolyte membrane 2 having the electrode ink layer 8 formed on the surface thereof is transported to and passed through the first drying furnace 13, the electrode ink layer 8 is dried (step S8). The drying process of the surface-side electrode ink layer 8 is performed by blowing hot air from the first drying furnace 13 to the electrode ink layer 8. By blowing hot air, the electrode ink layer 8 is heated to evaporate the solvent component, and the electrode ink layer 8 is dried. As the solvent component volatilizes, the electrode ink layer 8 formed on the surface of the electrolyte membrane 2 is dried to form the catalyst layer 9. In the present embodiment, since the additional drying furnace 59 is provided in the back surface processing unit 20 for final finishing drying, the first drying furnace 13 is dried to such an extent that ink does not adhere to the object that contacts the catalyst layer 9. Let me just let you.

図13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。   FIG. 13 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane 2 having the catalyst layer 9 formed on the surface thereof. A back sheet 6 is bonded to the back surface of the electrolyte membrane 2, and a catalyst layer 9 is intermittently formed on the surface. The catalyst layer 9 is an electrode layer on which catalyst particles such as platinum are supported. Since the catalyst layer 9 is formed by volatilization and solidification of the solvent component from the electrode ink layer 8, the thickness of the catalyst layer 9 is thinner than that of the electrode ink layer 8. The thickness of the catalyst layer 9 after drying is, for example, 3 μm to 50 μm.

第1乾燥炉13を通過した図13に示すような電解質膜2は第2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、表面処理ユニット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。   The electrolyte membrane 2 as shown in FIG. 13 that has passed through the first drying furnace 13 is wound up by the second winding roller 14. At this time, the catalyst layer 9 formed on the surface of the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6 attached to the back surface come into contact with each other, but the catalyst layer 9 is not adhered to the ink by the first drying furnace 13. Since it is dry, no problem occurs. As described above, the film formation process for forming the catalyst layer 9 by applying the electrode ink to the surface of the electrolyte membrane 2 in the surface treatment unit 10 is completed.

次に、表面処理ユニット10の第2巻取ローラ14によって巻き取った電解質膜2のロールを裏面処理ユニット20の第3巻出ローラ32に再装着する(ステップS9)。上述したのと同様に、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。   Next, the roll of the electrolyte membrane 2 wound up by the second winding roller 14 of the surface treatment unit 10 is reattached to the third unwinding roller 32 of the back surface processing unit 20 (step S9). As described above, this operation may be performed automatically by a lifter or the like, or may be performed manually by an operator.

表面に触媒層9が形成された電解質膜2が裏面処理ユニット20の第3巻出ローラ32に装着された後、第3巻出ローラ32がその電解質膜2を巻き出す(ステップS10)。このときに第3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13)。第3巻出ローラ32は、表面処理ユニット10の第2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3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。   After the electrolyte membrane 2 having the catalyst layer 9 formed on the surface is attached to the third unwinding roller 32 of the back surface processing unit 20, the third unwinding roller 32 unwinds the electrolyte membrane 2 (step S10). At this time, the electrolyte membrane 2 fed from the third unwinding roller 32 has the back sheet 6 bonded to the back surface and the catalyst layer 9 formed on the surface (FIG. 13). The third unwinding roller 32 rotates in the direction opposite to the winding direction of the second winding roller 14 of the surface treatment unit 10 to unwind the electrolyte membrane 2, thereby lowering the surface on which the catalyst layer 9 is formed. The electrolyte membrane 2 is sent out so as to face the side (that is, so that the back sheet 6 is on the upper side). The electrolyte membrane 2 continuously drawn out from the third unwinding roller 32 is suspended by the auxiliary roller 33 and sent out to the first press roller 31 of the peeling unit 30.

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S11)。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14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。   In the peeling unit 30, the surface of the electrolyte membrane 2 is pressed against the adsorption roller 21 by the first press roller 31, whereby the back sheet 6 is peeled off and the electrolyte membrane 2 is adsorbed and supported on the adsorption roller 21 (step S <b> 11). In other words, the first press roller 31 peels the back sheet 6 in a state where the surface of the electrolyte membrane 2 is adsorbed to the adsorption roller 21. FIG. 14 is a diagram illustrating a state in which the back sheet 6 is peeled off by the first press roller 31 and the electrolyte membrane 2 is adsorbed to the adsorption roller 21. The back sheet 6 is peeled from the back surface of the electrolyte membrane 2 between the first press roller 31 and the adsorption roller 21, and the surface of the electrolyte membrane 2 is adsorbed by the adsorption roller 21.

電解質膜2の表面には既に表面処理ユニット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。   Since the catalyst layer 9 has already been formed in the surface treatment unit 10 on the surface of the electrolyte membrane 2, the first press roller 31 presses the surface of the electrolyte membrane 2 including the catalyst layer 9 against the adsorption roller 21. The first press roller 31 adsorbs the electrolyte membrane 2 with a force within a range in which the electrolyte membrane 2 can be reliably adsorbed to the outer peripheral surface of the adsorption roller 21 without deforming the weak electrolyte membrane 2 and the catalyst layer 9. It is pressed against the roller 21. However, the 1st press roller 31 is installed so that it may adjoin from the outer peripheral surface of the adsorption | suction roller 21 at predetermined intervals. The force with which the first press roller 31 presses the electrolyte membrane 2 against the adsorption roller 21 is adjusted by the interval.

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。   The adsorption roller 21 adsorbs the surface of the electrolyte membrane 2. Regardless of whether or not the electrolyte membrane 2 is adsorbed by applying a negative pressure of 90 kPa or more to the suction port 23 of the adsorption roller 21 formed of porous ceramics having a porosity of 15% to 50%, A negative pressure of 10 kPa or more acts uniformly on the outer peripheral surface of the suction roller 21. Therefore, regardless of the width of the electrolyte membrane 2 and whether or not the catalyst layer 9 is formed on the surface of the electrolyte membrane 2, the adsorption roller 21 stabilizes the electrolyte membrane 2 at a constant suction pressure. Can be supported by adsorption. Further, deformation of the electrolyte membrane 2 due to the adsorption of the adsorption roller 21 can be suppressed.

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。   Further, the surface roughness of the outer peripheral surface of the adsorption roller 21 is Rz of 5 μm or less, and the pore diameter of the adsorption roller 21 is 5 μm or less. That is, the adsorption roller 21 of the present embodiment can stably adsorb and support the catalyst layer 9 and the electrolyte membrane 2 having fragile mechanical properties without deforming or generating adsorption marks.

バックシート6が剥離されることによって電解質膜2の裏面が露出する。ここで、電解質膜2は紫外線を透過するため、ステップS3では電解質膜2の膜厚方向の全体にわたって改質が進行している。このため、バックシート6の剥離後には電解質膜2の裏面に改めて紫外線照射を行うことなく後述のようにして電極インクを塗工し、その電極インクを乾燥させて触媒層9を形成することができる。   The back surface of the electrolyte membrane 2 is exposed by peeling the back sheet 6. Here, since the electrolyte membrane 2 transmits ultraviolet rays, in step S3, the modification is progressing over the entire thickness direction of the electrolyte membrane 2. Therefore, after the backsheet 6 is peeled off, the electrode layer is applied to the back surface of the electrolyte membrane 2 without performing ultraviolet irradiation again as described later, and the electrode ink is dried to form the catalyst layer 9. it can.

図14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。   As shown in FIG. 14, when the adsorption roller 21 that adsorbs and supports the electrolyte membrane 2 rotates about the central axis along the Y-axis direction, the electrolyte membrane 2 from which the back sheet 6 has been peeled is attached to the adsorption roller 21. It is supported by the outer peripheral surface and conveyed. On the other hand, the back sheet 6 peeled off from the electrolyte membrane 2 is taken up by the back sheet take-up roller 34.

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S12)。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。   Next, electrode ink is applied from the back surface coating nozzle 40 to the back surface of the electrolyte membrane 2 transported while being supported by the suction roller 21 (step S12). The electrode ink applied by the back surface coating nozzle 40 has a polarity opposite to that of the electrode ink applied by the front surface coating nozzle 12. For example, when the surface coating nozzle 12 coats the electrode ink for anode on the surface of the electrolyte membrane 2, the back surface coating nozzle 40 coats the electrode ink for cathode on the back surface of the electrolyte membrane 2. Conversely, when the surface coating nozzle 12 has applied the cathode electrode ink, the back surface coating nozzle 40 applies the anode electrode ink to the back surface of the electrolyte membrane 2.

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12参照)。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3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。   Further, the back surface coating nozzle 40 applies electrode ink to the back surface corresponding to the formation position of the catalyst layer 9 on the front surface side of the electrolyte membrane 2 (that is, the side surface opposite to the catalyst layer 9 on the front surface side of the electrolyte membrane 2). Apply intermittently. Specifically, the control unit 90 controls the discharge timing of the electrode ink from the back surface coating nozzle 40 and the rotation speed of the suction roller 21. As a result, on the back surface of the electrolyte membrane 2, electrode ink layers 8 having the same size as the catalyst layer 9 are discontinuously formed at regular intervals at positions corresponding to the catalyst layer 9 on the front surface side (see FIG. 12). In order to accurately specify the formation position of the catalyst layer 9 on the surface side of the electrolyte membrane 2, for example, the surface of the electrolyte membrane 2 is placed on one of the conveyance paths from the third unwinding roller 32 to the first press roller 31. It is preferable to provide an imaging camera that captures an image and an image analysis unit that analyzes data of an image captured by the imaging camera.

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。   The total runout of the suction roller 21 during rotation is 10 μm or less, and the surface roughness of the outer peripheral surface of the suction roller 21 is 5 μm or less. Therefore, the outer peripheral surface of the rotating suction roller 21 and the back surface coating nozzle 40 The interval with the slit-shaped discharge port is stable at a substantially constant value. For this reason, the uniform electrode ink layer 8 can be formed with high accuracy by intermittent coating from the back surface coating nozzle 40.

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。   The width and length of each electrode ink layer 8 formed on the back surface of the electrolyte membrane 2 are the same as the width and length of the catalyst layer 9 formed on the surface. The thickness of the electrode ink layer 8 is also the same as the thickness of the electrode ink layer 8 formed by coating from the surface coating nozzle 12 (for example, 10 μm to 300 μm).

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S13)。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。   Next, the rotation of the suction roller 21 causes the electrode ink layer 8 to be conveyed to a position facing the second drying furnace 50, and the electrode ink layer 8 is dried (step S13). The drying process of the electrode ink layer 8 on the back side is performed by blowing hot air from the second drying furnace 50 onto the electrode ink layer 8. When the hot air is blown, the electrode ink layer 8 is heated and the solvent component is volatilized, and the electrode ink layer 8 on the back side is dried. As the solvent component volatilizes, the electrode ink layer 8 formed on the back surface of the electrolyte membrane 2 is dried to form the catalyst layer 9. In the present embodiment, since the final drying is performed by providing the additional drying furnace 59, the second drying furnace 50 can be dried to such an extent that ink does not adhere to the second press roller 39 from the catalyst layer 9. It ’s fine.

図15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。   FIG. 15 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane 2 in which the catalyst layers 9 are formed on both the front and back surfaces. A catalyst layer 9 is formed at the same position on both the front and back surfaces of the electrolyte membrane 2. In other words, the catalyst layer 9 is formed at a position facing each other across the electrolyte membrane 2. The thickness of the catalyst layer 9 after drying is, for example, 3 μm to 50 μm on both sides.

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。   Moreover, the 2nd drying furnace 50 is provided with the three drying zones 51, 52, and 53, and hot air of a different temperature is sprayed from them. Specifically, the hot air temperature increases in the order of the drying zone 51 located on the most upstream side in the conveying direction of the electrolyte membrane 2 by the adsorption roller 21, the intermediate drying zone 52, and the most downstream drying zone 53. If high-temperature hot air is blown immediately on the electrode ink layer 8 immediately after coating without dividing the drying zone, the electrode ink layer 8 may be rapidly dried and cracks may occur on the surface. Alternatively, the same applies to the case where the suction roller 21 has a built-in heater and the electrode ink layer 8 immediately after coating is rapidly dried.

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。   In the present embodiment, the second drying furnace 50 is divided into three drying zones 51, 52, and 53, and the drying temperature is sequentially increased from the upstream side to the downstream side in the transport direction of the electrolyte membrane 2. That is, the most upstream drying zone 51 raises the temperature of the electrode ink layer 8 slightly by blowing hot air of relatively low temperature onto the electrode ink layer 8 immediately after coating. Next, the intermediate drying zone 52 blows slightly hot hot air to gently dry the electrode ink layer 8. Then, the electrode ink layer 8 is strongly dried by blowing the hot hot air from the most downstream drying zone 53. As described above, by gradually increasing the drying temperature and drying the electrode ink layer 8 stepwise, the generation of cracks during the drying process can be prevented.

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。   In order to properly dry the electrode ink layer 8 while preventing the occurrence of cracks, it is necessary to appropriately manage the drying process time, and for example, about 60 seconds is preferable. The drying processing time is the total time for one electrode ink layer 8 to pass through the three drying zones 51, 52, 53. For example, if the suction roller 21 has a diameter of 400 mm and the three drying zones 51, 52, 53 cover approximately half of the outer peripheral surface of the suction roller 21, the length is approximately 628 mm. In order to ensure 60 seconds as the drying process time under these conditions, the conveying speed of the electrolyte membrane 2 may be 10.4 mm / second. The conveyance speed of the electrolyte membrane 2 is defined by the rotation speed of the adsorption roller 21.

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。   Further, the second drying furnace 50 includes the heat blocking zone 54 on the most upstream side along the conveying direction of the electrolyte membrane 2 and includes the heat blocking zone 55 on the most downstream side. Thereby, it is possible to prevent the hot air blown from the drying zones 51, 52, 53 from flowing beyond the second drying furnace 50 to the upstream side and the downstream side of the suction roller 21. As a result, it is possible to prevent the back coating nozzle 40 located on the upstream side of the second drying furnace 50 and the second press roller 39 located on the downstream side from being unnecessarily heated.

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も設けられている。吸引部56,57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。   Further, the second drying furnace 50 is provided with suction portions 56 and 57 in addition to the heat blocking zones 54 and 55. The suction portions 56 and 57 can prevent hot air from flowing around the second drying furnace 50 and can prevent the vapor of the solvent volatilized from the electrode ink layer 8 during the drying.

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3巻取ローラ38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。   Next, by further rotation of the adsorption roller 21, the electrolyte membrane 2 reaches the second press roller 39, and the back surface of the electrolyte membrane 2 including the catalyst layer 9 is pressed against the second press roller 39. As a result, the electrolyte membrane 2 is peeled off from the adsorption roller 21 and suspended on the second press roller 39. At this time, the catalyst layer 9 formed on the back surface of the electrolyte membrane 2 and the second press roller 39 come into contact with each other, but the catalyst layer 9 is dried by the second drying furnace 50 to such an extent that ink does not adhere. Because there is no problem. The electrolyte membrane 2 peeled off from the adsorption roller 21 is taken up by the third take-up roller 38 and thereby sent out further downstream from the second press roller 39.

第2プレスローラ39から送り出された図15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S14)。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3として完成する。   The electrolyte membrane 2 as shown in FIG. 15 delivered from the second press roller 39 passes through the additional drying furnace 59. When the electrolyte membrane 2 passes through the inside of the additional drying furnace 59, the additional drying furnace 59 blows hot air on the catalyst layer 9, whereby the final finishing drying of the catalyst layer 9 is performed (step S14). Even if the catalyst layer 9 is not sufficiently dried in the first drying furnace 13 and the second drying furnace 50, the catalyst layer 9 can be reliably dried by the additional drying furnace 59. Thereby, the electrolyte membrane 2 having the catalyst layers 9 formed on both sides is completed as the membrane / catalyst layer assembly 3.

追加乾燥炉59を通過した電解質膜2(このときには膜・触媒層接合体3)は第3巻取ローラ38によって巻き取られる(ステップS15)。このときには、極性の異なる触媒層9の接触を防止するために、合紙を膜・触媒層接合体3の層間に挟み込むようにしても良い。以上のようにして、裏面処理ユニット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。   The electrolyte membrane 2 (in this case, the membrane / catalyst layer assembly 3) that has passed through the additional drying furnace 59 is wound up by the third winding roller 38 (step S15). At this time, in order to prevent the contact of the catalyst layers 9 having different polarities, the slip sheet may be sandwiched between the layers of the membrane / catalyst layer assembly 3. As described above, the film forming process for forming the catalyst layer 9 by applying the electrode ink to the back surface of the electrolyte membrane 2 in the back surface processing unit 20 is completed.

本実施形態の膜・触媒層接合体の製造システム1においては、改質ユニット70にて紫外線照射とホットプレス処理とによって電解質膜2の改質を行い、その改質された電解質膜2の表面および裏面に電極インクを塗工して触媒層9を形成している。本実施形態で使用される電解質膜2は、パーフルオロカーボンスルホン酸と補強材としての延伸多孔質PTFEとを含んだものである。既述したように、補強材として延伸多孔質PTFEを用いた電解質膜においては、補強材が局所的に凝集して海島構造を呈することがある。補強材のフッ素樹脂は接触角度が高く電極インクを弾く傾向を有するため、補強材が局所的に凝集した部分が存在していると、その部分で電極インクが弾かれて均一な塗工が阻害されるおそれがある。その結果、乾燥処理後の触媒層の膜厚が不均一になることもある。   In the membrane / catalyst layer assembly manufacturing system 1 of the present embodiment, the reforming unit 70 modifies the electrolyte membrane 2 by ultraviolet irradiation and hot press treatment, and the surface of the reformed electrolyte membrane 2 is modified. The catalyst layer 9 is formed by applying electrode ink to the back surface. The electrolyte membrane 2 used in the present embodiment contains perfluorocarbon sulfonic acid and expanded porous PTFE as a reinforcing material. As described above, in an electrolyte membrane using expanded porous PTFE as a reinforcing material, the reinforcing material may locally aggregate to exhibit a sea-island structure. Since the reinforcing material fluororesin has a high contact angle and tends to repel the electrode ink, if there is a part where the reinforcing material is locally agglomerated, the electrode ink is repelled at that part and uniform coating is hindered. There is a risk of being. As a result, the film thickness of the catalyst layer after the drying treatment may become non-uniform.

図16は、電解質膜にてフッ素樹脂の補強材が凝集している場合における電極インクの塗工状態を示す図である。パーフルオロカーボンスルホン酸と補強材としてのポリテトラフルオロエチレンとを含む電解質膜2においては、フッ素樹脂の補強材が局所的に凝集して海島構造を呈している。このような電解質膜2の表面に均一に電極インクを塗工したとしても、図16に示すように、補強材の凝集部分99が電解質膜2の表面に露出している領域では、電極インクが弾かれて電極インク層8が他の領域より薄くなる。このような塗工状態にて乾燥処理を行うと、補強材の凝集部分99が電解質膜2の表面に露出している領域では触媒層9の厚さが相対的に薄くなり、触媒層9の膜厚が不均一となる。   FIG. 16 is a diagram illustrating a coating state of the electrode ink in the case where the fluororesin reinforcing material is aggregated in the electrolyte membrane. In the electrolyte membrane 2 containing perfluorocarbon sulfonic acid and polytetrafluoroethylene as a reinforcing material, the fluororesin reinforcing material is locally aggregated to form a sea-island structure. Even if the electrode ink is uniformly applied to the surface of the electrolyte membrane 2, the electrode ink is not formed in the region where the reinforcing material aggregation portion 99 is exposed on the surface of the electrolyte membrane 2 as shown in FIG. The electrode ink layer 8 becomes thinner than other regions by being repelled. When the drying process is performed in such a coating state, the thickness of the catalyst layer 9 becomes relatively thin in the region where the aggregated portion 99 of the reinforcing material is exposed on the surface of the electrolyte membrane 2. The film thickness becomes non-uniform.

図17は、電解質膜にてフッ素樹脂の補強材が凝集している場合における触媒層の膜厚プロファイルを示す図である。同図の横軸には乾燥処理後の電解質膜2表面における一点から所定方向(例えば、幅方向)に沿った距離を示し、縦軸には触媒層9の膜厚を示している。図17に示すように、触媒層9の膜厚が相対的に薄くなる領域が一部存在しており、その領域は補強材の凝集部分99が電解質膜2の表面に露出している領域である。   FIG. 17 is a diagram showing a film thickness profile of the catalyst layer in the case where the fluororesin reinforcement is aggregated in the electrolyte membrane. In the figure, the horizontal axis indicates the distance along a predetermined direction (for example, the width direction) from one point on the surface of the electrolyte membrane 2 after the drying treatment, and the vertical axis indicates the film thickness of the catalyst layer 9. As shown in FIG. 17, there is a part of the region where the film thickness of the catalyst layer 9 is relatively thin, and this region is a region where the aggregate 99 of the reinforcing material is exposed on the surface of the electrolyte membrane 2. is there.

このため、本実施形態においては、電極インクを塗工する前に紫外線照射とホットプレス処理とによって電解質膜2の改質を行っている。図18は、電解質膜2の改質を行った場合における触媒層9の膜厚プロファイルを示す図である。図17と同様に、乾燥処理後の電解質膜2表面における一点から所定方向(例えば、幅方向)に沿った距離を横軸に示し、触媒層9の膜厚を縦軸に示している。図17と比較すると明らかなように、触媒層9の膜厚に大きな変動は認められず、均一な膜厚の触媒層9が形成されている。これは、紫外線照射およびホットプレス処理によって電解質膜2における補強材の局所的な凝集が緩和されたためと考えられる。   For this reason, in the present embodiment, the electrolyte membrane 2 is modified by ultraviolet irradiation and hot pressing before applying the electrode ink. FIG. 18 is a diagram showing a film thickness profile of the catalyst layer 9 when the electrolyte membrane 2 is modified. Similarly to FIG. 17, the distance along the predetermined direction (for example, the width direction) from one point on the surface of the electrolyte membrane 2 after the drying treatment is shown on the horizontal axis, and the film thickness of the catalyst layer 9 is shown on the vertical axis. As is clear from comparison with FIG. 17, no significant variation is observed in the thickness of the catalyst layer 9, and the catalyst layer 9 having a uniform thickness is formed. This is presumably because local aggregation of the reinforcing material in the electrolyte membrane 2 was alleviated by ultraviolet irradiation and hot press treatment.

このような改質効果を得るためには、電解質膜2の表面における紫外線の照度を0.03mW/cm以上とする必要がある。一方、電解質膜2の表面における紫外線の照度を100mW/cmよりも大きくするためには、紫外線ランプ72aを走行する電解質膜2に過度に近づけなければ実現困難なため、紫外線照射部72の設計が極めて複雑となる。このような理由により、紫外線照射部72から照射される紫外線の電解質膜2表面における照度は、0.03mW/cm以上100mW/cm以下としている。好ましくは、紫外線照射部72から照射される紫外線の電解質膜2表面における照度は、2mW/cm以上30mW/cm以下である。 In order to obtain such a modification effect, the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 needs to be 0.03 mW / cm 2 or more. On the other hand, since it is difficult to make the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 larger than 100 mW / cm 2 unless it is too close to the electrolyte membrane 2 running on the ultraviolet lamp 72 a, the design of the ultraviolet irradiation unit 72. Becomes extremely complex. For this reason, the illuminance in the electrolyte membrane second surface of the ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 is directed to 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less. Preferably, the illuminance on the surface of the electrolyte membrane 2 of the ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 is 2 mW / cm 2 or more and 30 mW / cm 2 or less.

また、上記ような改質効果を得るためには、電解質膜2に照射される紫外線の積算光量を1.8mJ/cm以上とする必要がある。一方、積算光量が15000mJ/cmを超えると、電解質膜2とバックシート6と密着性が過度に高くなって、裏面処理ユニット20でのバックシート6の剥離が困難となる。このような理由により、紫外線照射部72から電解質膜2に照射される紫外線の積算光量は1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下としている。好ましくは、紫外線照射部72から電解質膜2に照射される紫外線の積算光量は100mJ/cm以上1200mJ/cm以下である。 In addition, in order to obtain the above-described modification effect, it is necessary that the cumulative amount of ultraviolet light irradiated to the electrolyte membrane 2 is 1.8 mJ / cm 2 or more. On the other hand, when the integrated light quantity exceeds 15000 mJ / cm 2 , the adhesiveness between the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6 becomes excessively high, and it becomes difficult to peel the back sheet 6 by the back surface treatment unit 20. For this reason, the cumulative amount of ultraviolet light irradiated from the ultraviolet irradiation unit 72 to the electrolyte membrane 2 is set to 1.8 mJ / cm 2 or more and 15000 mJ / cm 2 or less. Preferably, the cumulative amount of ultraviolet light applied to the electrolyte membrane 2 from the ultraviolet irradiation unit 72 is 100 mJ / cm 2 or more and 1200 mJ / cm 2 or less.

ところで、積算光量は、電解質膜2の表面における紫外線の照度に照射時間を乗じた値である。よって、所定の積算光量を得るためには、電解質膜2の表面における紫外線の照度および照射時間を調整すれば良い。紫外線の照度が低いと、照射時間を長く(つまり、電解質膜2の搬送速度を遅く)する必要があるが、紫外線ランプ72aと電解質膜2との距離を長く設定することができるため、紫外線照射部72の設計は容易となる。逆に、紫外線の照度が高いと、照射時間は短く(つまり、電解質膜2の搬送速度を速く)することができるものの、紫外線ランプ72aと電解質膜2とを接近させなければならないため、紫外線照射部72の設計が困難となる。これらのバランスを勘案して紫外線の照度および照射時間を設定するのが好ましい。一例として、紫外線照射部72による電解質膜2表面における紫外線の照射幅が9mmで電解質膜2の搬送速度が10mm/秒であれば紫外線照射時間は0.9秒である。このときの、紫外線照射部72による電解質膜2の表面における紫外線の照度が2mW/cmであれば、電解質膜2に照射される紫外線の積算光量を1.8mJ/cmとすることができる。 By the way, the integrated light quantity is a value obtained by multiplying the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 by the irradiation time. Therefore, in order to obtain a predetermined integrated light amount, the illuminance of ultraviolet rays and the irradiation time on the surface of the electrolyte membrane 2 may be adjusted. When the illuminance of ultraviolet rays is low, it is necessary to lengthen the irradiation time (that is, slow the conveying speed of the electrolyte membrane 2). However, since the distance between the ultraviolet lamp 72a and the electrolyte membrane 2 can be set long, ultraviolet irradiation is performed. The design of the part 72 becomes easy. Conversely, when the illuminance of ultraviolet rays is high, the irradiation time can be shortened (that is, the conveying speed of the electrolyte membrane 2 can be increased), but the ultraviolet lamp 72a and the electrolyte membrane 2 must be brought close to each other. Design of the part 72 becomes difficult. In consideration of these balances, it is preferable to set the illuminance and irradiation time of ultraviolet rays. As an example, if the ultraviolet irradiation width on the surface of the electrolyte membrane 2 by the ultraviolet irradiation unit 72 is 9 mm and the transport speed of the electrolyte membrane 2 is 10 mm / second, the ultraviolet irradiation time is 0.9 seconds. If the illuminance of ultraviolet rays on the surface of the electrolyte membrane 2 by the ultraviolet irradiation unit 72 at this time is 2 mW / cm 2 , the cumulative amount of ultraviolet rays irradiated to the electrolyte membrane 2 can be 1.8 mJ / cm 2. .

また、一対のプレスローラ73,73の加熱温度、すなわちホットプレス処理時の処理温度は50℃以上180℃以下としている。ホットプレス処理時の処理温度が50℃未満であると、電解質膜2の改質効果を得ることが困難となる。逆に、処理温度が180℃を超えると、電解質膜2およびバックシート6に熱ダメージを与えるおそれがある。このため、ホットプレス処理時の処理温度は50℃以上180℃以下としている。   Further, the heating temperature of the pair of press rollers 73, 73, that is, the processing temperature at the time of hot press processing is set to 50 ° C. or more and 180 ° C. or less. When the treatment temperature during the hot press treatment is less than 50 ° C., it is difficult to obtain the modification effect of the electrolyte membrane 2. On the other hand, when the treatment temperature exceeds 180 ° C., there is a risk of causing thermal damage to the electrolyte membrane 2 and the back sheet 6. For this reason, the processing temperature at the time of a hot press process shall be 50 degreeC or more and 180 degrees C or less.

さらに、一対のプレスローラ73,73による圧縮率は20%以上60%以下としている。このようにしている理由は、圧縮率が20%未満であると十分な電解質膜2の改質効果が得られず、60%を超えると電解質膜2およびバックシート6に機械的な損傷を与えるおそれがあるためである。好ましくは、一対のプレスローラ73,73による圧縮率は30%以上50%以下である。   Further, the compression rate by the pair of press rollers 73, 73 is set to 20% or more and 60% or less. The reason for this is that if the compression ratio is less than 20%, a sufficient modification effect of the electrolyte membrane 2 cannot be obtained, and if it exceeds 60%, the electrolyte membrane 2 and the backsheet 6 are mechanically damaged. This is because there is a fear. Preferably, the compression rate by the pair of press rollers 73, 73 is 30% or more and 50% or less.

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、改質ユニット70にて紫外線照射とホットプレス処理とによって電解質膜2の改質を行うようにしていたが、紫外線照射によって必要十分な改質効果が得られる場合には、ホットプレス処理は必須ではない。すなわち、電解質膜2に照射される紫外線の積算光量が十分に高い場合には、紫外線照射のみによって必要な改質効果を得ることができ、ホットプレス処理を省略しても電解質膜2に均一な膜厚の触媒層9を形成することができる。もっとも、ホットプレス処理を行う場合には、紫外線の照度が低く照射時間を十分に確保できない場合であっても必要な改質効果を得ることができる。   While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the modification unit 70 modifies the electrolyte membrane 2 by ultraviolet irradiation and hot pressing, but when the necessary and sufficient modification effect is obtained by ultraviolet irradiation. The hot press process is not essential. That is, when the cumulative amount of ultraviolet light irradiated to the electrolyte membrane 2 is sufficiently high, the necessary modification effect can be obtained only by ultraviolet irradiation, and even if the hot press treatment is omitted, the electrolyte membrane 2 is uniform. A catalyst layer 9 having a film thickness can be formed. However, in the case of performing a hot press treatment, a necessary modification effect can be obtained even when the illuminance of ultraviolet rays is low and the irradiation time cannot be sufficiently secured.

また、改質ユニット70でのホットプレス処理に代えて、電解質膜2にプラズマ処理を行って改質を促進するようにしても良い。プラズマ処理としては、例えば常圧下において均一なグロー放電プラズマを用いることができる。   Further, instead of hot pressing in the reforming unit 70, plasma treatment may be performed on the electrolyte membrane 2 to promote reforming. As the plasma treatment, for example, uniform glow discharge plasma can be used under normal pressure.

また、上記実施形態においては、改質ユニット70、表面処理ユニット10および裏面処理ユニット20を互いに分離し、一旦巻取ローラで巻き取った電解質膜2のロールを次工程の巻出ローラ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、改質ユニット70の後段に表面処理ユニット10を連結し、一対のプレスローラ73,73を通過した電解質膜2の表面に表面塗工ノズル12から電極インクを塗工するようにしても良い。また、表面処理ユニット10の後段に裏面処理ユニット20を連結し、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。   In the above embodiment, the reforming unit 70, the surface treatment unit 10, and the back surface treatment unit 20 are separated from each other, and the roll of the electrolyte membrane 2 once taken up by the take-up roller is reattached to the unwind roller in the next step. However, these may be connected inline. Specifically, the surface treatment unit 10 is connected to the subsequent stage of the reforming unit 70, and electrode ink is applied from the surface coating nozzle 12 to the surface of the electrolyte membrane 2 that has passed through the pair of press rollers 73, 73. May be. Further, the back surface processing unit 20 may be connected to the subsequent stage of the surface processing unit 10 so that the electrolyte membrane 2 sent out from the first drying furnace 13 is directly fed to the peeling unit 30.

また、本発明に係る技術は、燃料電池の膜・触媒層接合体3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、補強材としてフッ素樹脂を含む薄膜に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。   Further, the technology according to the present invention is not limited to the application to the production of the membrane / catalyst layer assembly 3 of the fuel cell, but to the production of a composite membrane in which a functional layer is formed on another kind of thin film. You can also In particular, the present invention provides a composite membrane in which a functional layer is formed on a thin film by applying a coating liquid to a thin film containing a fluororesin as a reinforcing material and drying the same as the electrolyte membrane 2 described above. The manufacturing technique concerning can be used suitably.

本発明は、補強材としてフッ素樹脂を含む高分子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。   The present invention is applied to a manufacturing technique of a membrane / catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by applying an electrode ink to a polymer electrolyte membrane containing a fluororesin as a reinforcing material and drying it. It is particularly suitable for the production of a membrane / catalyst layer assembly of a polymer electrolyte fuel cell.

1 製造システム
2 電解質膜
3 膜・触媒層接合体
5 フロントシート
6 バックシート
8 電極インク層
9 触媒層
10 表面処理ユニット
11 第2巻出ローラ
12 表面塗工ノズル
13 第1乾燥炉
14 第2巻取ローラ
15 バックアップローラ
20 裏面処理ユニット
21 吸着ローラ
30 剥離部
32 第3巻出ローラ
38 第3巻取ローラ
40 裏面塗工ノズル
50 第2乾燥炉
59 追加乾燥炉
70 改質ユニット
71 第1巻出ローラ
72 紫外線照射部
72a 紫外線ランプ
73 プレスローラ
74 第1巻取ローラ
76 剥離ローラ
77 加熱部
90 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manufacturing system 2 Electrolyte membrane 3 Membrane / catalyst layer assembly 5 Front sheet 6 Back sheet 8 Electrode ink layer 9 Catalyst layer 10 Surface treatment unit 11 Second unwinding roller 12 Surface coating nozzle 13 First drying furnace 14 Second volume Take-up roller 15 Backup roller 20 Back surface processing unit 21 Adsorption roller 30 Peeling part 32 Third unwinding roller 38 Third winding roller 40 Back surface coating nozzle 50 Second drying furnace 59 Additional drying furnace 70 Reforming unit 71 First unwinding Roller 72 Ultraviolet irradiation unit 72a Ultraviolet lamp 73 Press roller 74 First winding roller 76 Peeling roller 77 Heating unit 90 Control unit

Claims (11)

燃料電池の電解質膜を改質する電解質膜改質装置であって、
一方面が支持部材に貼り合わされた帯状の電解質膜を所定速度で搬送する搬送手段と、
前記搬送手段によって搬送される前記電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射する照射手段と、
を備えることを特徴とする電解質膜改質装置。
An electrolyte membrane reformer for modifying an electrolyte membrane of a fuel cell,
Transport means for transporting the belt-shaped electrolyte membrane having one surface bonded to the support member at a predetermined speed;
The accumulated light amount of ultraviolet within a wavelength range of 100nm~400nm on the other surface at 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less of illuminance of the electrolyte membrane 1.8mJ / cm 2 or more which is conveyed by said conveying means Irradiating means for irradiating to 15000 mJ / cm 2 or less;
An electrolyte membrane reformer characterized by comprising:
請求項1記載の電解質膜改質装置において、
前記搬送手段による前記電解質膜の搬送経路に沿って前記照射手段よりも下流側に設けられ、前記支持部材に貼り合わされた前記電解質膜を一方面側および他方面側から挟んで圧縮する一対のプレスローラと、
前記一対のプレスローラを50℃以上180℃以下に加熱する加熱手段と、
をさらに備えることを特徴とする電解質膜改質装置。
The electrolyte membrane reformer according to claim 1, wherein
A pair of presses provided downstream of the irradiation unit along the transport path of the electrolyte membrane by the transport unit and compressing the electrolyte membrane bonded to the support member from one side and the other side Laura,
Heating means for heating the pair of press rollers to 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower;
An electrolyte membrane reformer further comprising:
請求項2記載の電解質膜改質装置において、
前記一対のプレスローラによる圧縮率は、20%以上60%以下であることを特徴とする電解質膜改質装置。
The electrolyte membrane reformer according to claim 2, wherein
The compression rate by the pair of press rollers is 20% or more and 60% or less.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の電解質膜改質装置において、
前記電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレンとパーフルオロカーボンスルホン酸とを含む高分子電解質膜であることを特徴とする電解質膜改質装置。
In the electrolyte membrane reformer according to any one of claims 1 to 3,
The electrolyte membrane reforming apparatus, wherein the electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane containing polytetrafluoroethylene and perfluorocarbon sulfonic acid.
燃料電池の電解質膜に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造システムであって、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の電解質膜改質装置と、
前記電解質膜の一方面および/または他方面に塗工液を塗工する塗工手段と、
前記電解質膜に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、
を備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造システム。
A membrane / catalyst layer assembly manufacturing system for forming a catalyst layer on an electrolyte membrane of a fuel cell,
The electrolyte membrane reformer according to any one of claims 1 to 4,
A coating means for coating a coating liquid on one side and / or the other side of the electrolyte membrane;
Drying means for drying the coating solution applied to the electrolyte membrane to form a catalyst layer;
A membrane / catalyst layer assembly manufacturing system comprising:
燃料電池の電解質膜を改質する電解質膜改質方法であって、
一方面が支持部材に貼り合わされた帯状の電解質膜を所定速度で搬送しつつ、前記電解質膜の他方面に波長100nm〜400nmの範囲内の紫外線を0.03mW/cm以上100mW/cm以下の照度にて積算光量が1.8mJ/cm以上15000mJ/cm以下となるように照射する照射工程を備えることを特徴とする電解質膜改質方法。
An electrolyte membrane modification method for modifying an electrolyte membrane of a fuel cell, comprising:
While conveying a strip-shaped electrolyte membrane one side is bonded to the support member at a predetermined speed, said the other surface of the electrolyte membrane with ultraviolet within a wavelength range of 100 nm to 400 nm 0.03 mW / cm 2 or more 100 mW / cm 2 or less A method for modifying an electrolyte membrane comprising an irradiation step of irradiating so that an integrated light amount is 1.8 mJ / cm 2 or more and 15000 mJ / cm 2 or less at an illuminance of 1 to 2 .
請求項6記載の電解質膜改質方法において、
前記照射工程の後に、50℃以上180℃以下に加熱された一対のプレスローラによって前記支持部材に貼り合わされた前記電解質膜を一方面側および他方面側から挟んで圧縮するホットプレス工程をさらに備えることを特徴とする電解質膜改質方法。
In the electrolyte membrane modification method according to claim 6,
After the irradiation step, the method further includes a hot pressing step of compressing the electrolyte membrane bonded to the supporting member by a pair of press rollers heated to 50 ° C. or more and 180 ° C. or less from one side and the other side. An electrolyte membrane modification method characterized by the above.
請求項7記載の電解質膜改質方法において、
前記ホットプレス工程における前記一対のプレスローラによる圧縮率は、20%以上60%以下であることを特徴とする電解質膜改質方法。
The method for modifying an electrolyte membrane according to claim 7,
The compression rate by the pair of press rollers in the hot pressing step is 20% or more and 60% or less, and the electrolyte membrane modification method is characterized in that:
請求項6から請求項8のいずれかに記載の電解質膜改質方法において、
前記電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレンとパーフルオロカーボンスルホン酸とを含む高分子電解質膜であることを特徴とする電解質膜改質方法。
The method for modifying an electrolyte membrane according to any one of claims 6 to 8,
The method for modifying an electrolyte membrane, wherein the electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane containing polytetrafluoroethylene and perfluorocarbonsulfonic acid.
燃料電池の電解質膜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、
請求項6から請求項9のいずれかに記載の電解質膜改質方法によって表面改質された電解質膜の他方面に塗工液を塗工する第1塗工工程と、
前記電解質膜の他方面に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する第1乾燥工程と、
を備えることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
A method for producing a membrane / catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane of a fuel cell,
A first coating step of coating a coating solution on the other surface of the electrolyte membrane surface-modified by the electrolyte membrane modification method according to any one of claims 6 to 9;
A first drying step of drying the coating liquid applied to the other surface of the electrolyte membrane to form a catalyst layer;
A method for producing a membrane / catalyst layer assembly, comprising:
請求項10記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
前記電解質膜の一方面から前記支持部材を剥離し、当該一方面に紫外線照射を行うことなく塗工液を塗工する第2塗工工程と、
前記電解質膜の一方面に塗工された塗工液を乾燥させて触媒層を形成する第2乾燥工程と、
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。
In the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly according to claim 10,
A second coating step of peeling the support member from one surface of the electrolyte membrane, and coating the coating liquid without performing ultraviolet irradiation on the one surface;
A second drying step of forming a catalyst layer by drying a coating solution applied to one surface of the electrolyte membrane;
A process for producing a membrane / catalyst layer assembly, further comprising:
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