JP2015178087A - 間欠塗工方法および間欠塗工装置 - Google Patents

間欠塗工方法および間欠塗工装置 Download PDF

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Abstract

【課題】塗工開始時にも均一な塗工形状を得ることができる間欠塗工方法および間欠塗工装置を提供する。
【解決手段】電解質膜をロールトゥロール方式にて一定速度で連続して走行させつつ、その電解質膜の表面に塗工ノズルから触媒インクを間欠塗工する。塗工の間欠時に塗工ノズルの先端に触媒インクの液溜まりを形成する。塗工の開始時には、塗工ノズルの先端と電解質膜の表面との間隔が塗工ギャップＴＧとは異なる接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズルが移動して液溜まりを塗工領域の塗工開始端に接触させることにより、塗工領域に過不足無く触媒インクを塗工する。接触ギャップＳＧは電解質膜の表面に形成する塗膜の膜厚が厚いほど大きくなり、その膜厚が所定値よりも厚くなると塗工ギャップＴＧよりも大きくなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、基材をロールトゥロール方式にて連続走行させつつ、当該基材の表面に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工方法および間欠塗工装置に関する。
近年、自動車、家庭用、携帯電話などの駆動電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料に含まれる水素（Ｈ２）と空気中の酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電力を作り出す発電システムであり、発電効率が高く環境への負荷も軽いという特長を有する。
燃料電池には、使用する電解質によって幾つかの種類が存在しているが、そのうちの一つに電解質としてイオン交換膜（電解質膜）を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer electrolyte fuel cell）がある。固体高分子形燃料電池は、常温での動作および小型軽量化が可能であるため、自動車や携帯機器への適用が期待されている。
固体高分子形燃料電池は、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。
このような膜・触媒層接合体は、典型的には電解質膜をロールトゥロール方式にて連続搬送しつつ、その電解質膜の表面に白金（Ｐｔ）を含む触媒粒子をアルコールなどの溶媒中に分散させた触媒インク（電極ペースト）を塗工し、その触媒インクを乾燥させることによって作成される。固体高分子形燃料電池の触媒インクの塗工に際しては、高価な白金触媒のロスを無くすために、電解質膜の表面に触媒インクを間欠的に塗工する間欠塗工が要求される。また、間欠塗工を行うときには、インクを塗工すべき塗工領域に対して過不足無く、つまり塗工領域を全て覆いつつも塗工領域からはみ出すことなく触媒インクを塗工する必要がある。
特許文献１には、基材をバックアップローラで支持して連続走行させつつ、その基材にスリットノズルから塗料を間欠的に塗工する技術が開示されている。特許文献１に開示の技術では、塗布間欠時にはスリットノズルをバックアップローラから離れる方向に移動させるとともに、塗布時にはスリットノズルをバックアップローラに近づけるように移動させることによって、塗布開始端および終端を直線的にしている。
また、特許文献２，３には、ロールトゥロールによる連続搬送ではないものの、ノズルに対して基板を相対移動させつつノズルから基板に処理液を供給して塗布処理を行い、塗布の終盤でノズルと基板とのギャップを調整して塗布品質を向上させることが提案されている。
特開平７−２７５７８６号公報 特開２００７−１９０４８３号公報 特開２００７−２０８１４０号公報
しかしながら、特許文献１に開示される技術のように、単純に塗布間欠時にはノズルをバックアップローラから離し、塗布時にはノズルをバックアップローラに近づけているだけでは、塗布開始端および終端を直線的にできたとしても、その塗布開始端および終端の幅が不均一になることがあった。すなわち、塗布開始端および終端の幅が塗工領域からはみ出したり不足することがあった。
また、特許文献２，３には、塗布の終盤での塗布品質の向上については開示されているものの、塗布開始時の塗布品質向上については何らの提案もなされていない。これは、特許文献２，３に開示の技術においては、塗布開始時にはノズルに対して基板が停止しており（つまり相対速度はゼロ）、特段の工夫をしなくても十分な塗布品質が得られるためである。
ところが、膜・触媒層接合体を製造する場合のように、基材をロールトゥロール方式にて連続走行させている場合には、塗工開始時にもノズルに対して基材が一定速度で相対移動しているため、単にノズルを基材に近づけて塗工液を吐出するだけでは均一な塗工形状を得ることは困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、塗工開始時にも均一な塗工形状を得ることができる間欠塗工方法および間欠塗工装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって当該基材を連続走行させつつ、当該基材に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工方法において、先端に塗工液の液溜まりを形成したスリットノズルをバックアップローラによって支持された前記基材に近接させ、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を前記液溜まりが前記基材の表面に接触する第１の間隔とする接触工程と、前記液溜まりが前記基材の表面に接触した後、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第１の間隔とは異なる第２の間隔となるように前記スリットノズルを移動させる移動工程と、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を第２の間隔に維持しつつ、前記スリットノズルから前記基材の表面に塗工液を塗工する塗工工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る間欠塗工方法において、前記塗工工程にて前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が厚いほど前記接触工程での第１の間隔が大きくなることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る間欠塗工方法において、前記塗工工程にて前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が所定値よりも厚くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る間欠塗工方法において、塗工液の表面張力が低いほど前記接触工程での第１の間隔が大きくなることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る間欠塗工方法において、塗工液の表面張力が所定値よりも低くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る間欠塗工方法において、前記塗工工程の終了時には、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔となるように前記スリットノズルを移動させることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る間欠塗工方法において、前記基材は、燃料電池の電解質膜であり、前記塗工液は、白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって当該基材を連続走行させつつ、当該基材に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工装置において、走行する前記基材を支持するバックアップローラと、前記バックアップローラによって支持された前記基材に塗工液を塗工するスリットノズルと、前記バックアップローラに対して近接または離間するように前記スリットノズルを移動させる駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、先端に塗工液の液溜まりを形成した前記スリットノズルが前記バックアップローラによって支持された前記基材に近接し、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が前記液溜まりが前記基材の表面に接触する第１の間隔に前記スリットノズルが移動するとともに、前記液溜まりが前記基材の表面に接触した後、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第１の間隔とは異なる第２の間隔に前記スリットノズルが移動して基材の表面に塗工液を塗工するように前記駆動手段を制御することを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る間欠塗工装置において、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を第２の間隔に維持しつつ、前記スリットノズルから塗工液を塗工して前記基材の表面に形成する塗膜の膜厚が厚いほど第１の間隔が大きくなることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項９の発明に係る間欠塗工装置において、前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が所定値よりも厚くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項８の発明に係る間欠塗工装置において、塗工液の表面張力が低いほど第１の間隔が大きくなることを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る間欠塗工装置において、塗工液の表面張力が所定値よりも低くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項８から請求項１２のいずれかの発明に係る間欠塗工装置において、前記スリットノズルからの塗工を終了するときには、前記制御手段は、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔に前記スリットノズルが移動するように前記駆動手段を制御することを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、請求項８から請求項１３のいずれかの発明に係る間欠塗工装置において、前記基材は、燃料電池の電解質膜であり、前記塗工液は、白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであることを特徴とする。
請求項１から請求項７の発明によれば、先端に塗工液の液溜まりを形成したスリットノズルをバックアップローラによって支持された基材に近接させ、スリットノズルの先端と基材の表面との間隔を液溜まりが基材の表面に接触する第１の間隔とし、その第１の間隔は基材の表面に塗工液を塗工するときの第２の間隔とは異なるため、塗工開始時に基材上の塗工すべき領域に過不足無く塗工液を塗工することができ、塗工開始時にも均一な塗工形状を得ることができる。
特に、請求項６の発明によれば、塗工工程の終了時には、スリットノズルの先端と基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔となるようにスリットノズルを移動させるため、塗工終了時にも均一な塗工形状を得ることができる。
特に、請求項７の発明によれば、基材が燃料電池の電解質膜であり、塗工液が白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであるため、高価な白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクの無駄な消費を抑制することができる。
請求項８から請求項１４の発明によれば、端に塗工液の液溜まりを形成したスリットノズルをバックアップローラによって支持された基材に近接させ、スリットノズルの先端と基材の表面との間隔を液溜まりが基材の表面に接触する第１の間隔とし、その第１の間隔は基材の表面に塗工液を塗工するときの第２の間隔とは異なるため、塗工開始時に基材上の塗工すべき領域に過不足無く塗工液を塗工することができ、塗工開始時にも均一な塗工形状を得ることができる。
特に、請求項１３の発明によれば、スリットノズルからの塗工を終了するときには、スリットノズルの先端と基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔にスリットノズルが移動するため、塗工終了時にも均一な塗工形状を得ることができる。
特に、請求項１４の発明によれば、基材が燃料電池の電解質膜であり、塗工液が白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであるため、高価な白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクの無駄な消費を抑制することができる。
本発明に係る間欠塗工装置の概略構成を示す図である。 塗工ノズルおよびバックアップローラの周辺を拡大した図である。 電解質膜の表面に触媒インクが間欠塗工された状態を模式的に示す平面図である。 塗工ノズルの先端に触媒インクの液溜まりを形成した状態を示す図である。 単純に塗工ノズルを電解質膜に近接させた場合に形成される塗膜の塗工形状を示す図である。 図１の間欠塗工装置において一定速度で走行する電解質膜に触媒インクを塗工する手順を示すフローチャートである。 接触ギャップが塗工ギャップよりも大きい場合の塗工ノズルの先端と電解質膜の表面との間隔制御を示す図である。 接触ギャップが塗工ギャップよりも小さい場合の塗工ノズルの先端と電解質膜の表面との間隔制御を示す図である。 比較的大きな液溜まりを形成した塗工ノズルが塗工ギャップよりも大きな接触ギャップに移動して当該液溜まりが電解質膜に接触した状態を示す図である。 塗工ノズルが塗工ギャップにて定常的な塗工処理を行っている状態を示す図である。 比較的小さな液溜まりを形成した塗工ノズルが塗工ギャップよりも小さな接触ギャップに移動して当該液溜まりが電解質膜に接触した状態を示す図である。 本発明に係る間欠塗工技術によって形成された塗膜の塗工形状を示す図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る間欠塗工装置１００の概略構成を示す図である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。この間欠塗工装置１００では、基材である帯状の電解質膜２をロールトゥロール方式にて連続搬送しつつ、その電解質膜２の表面に塗工液として触媒インクを間欠的に塗工し、その触媒インクを乾燥させて電解質膜２の表面に触媒層（電極層）を形成して固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体を製造する。なお、電解質膜２の表面とは、電解質膜２の２つの面のうちの一方面であり、アノード電極またはカソード電極のいずれか一方の触媒層が形成される。また、電解質膜２の裏面とは、表面の反対側の他方面であり、表面とは異なる極性の触媒層が形成される。すなわち、表面および裏面は、電解質膜２の両面を単に識別するための表記であり、いずれか特定の面が表面または裏面に限定されるものではない。
間欠塗工装置１００は、主たる要素として巻出ローラ１１、バックアップローラ１５、塗工ノズル２０、乾燥炉３０、巻取ローラ１２を備える。また、間欠塗工装置１００は、装置全体を管理する制御部９０を備える。
巻出ローラ１１は、保護のためのバックシート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を基材として連続的に送り出す。電解質膜２は、巻出ローラ１１から送り出されて巻取ローラ１２によって巻き取られることにより、塗工ノズル２０、乾燥炉３０の順にロールトゥロール方式にて連続して一定速度で走行される。また、補助ローラ１６は、巻出ローラ１１から送り出された電解質膜２が所定の搬送経路に沿って走行するように案内する。補助ローラ１６の設置個数および設置位置は適宜のものとすることができる。
電解質膜２としては、従来より固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体用途に用いられているフッ素系や炭化水素系などの高分子電解質膜を使用することができる。例えば、電解質膜２として、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、ゴア(Gore)社製のGoreselect（登録商標）など）を使用することができる。
上記の電解質膜２は、非常に薄くて機械的強度が弱く、大気中の少量の湿気によっても容易に膨潤する一方で湿度が低くなると収縮する特性を有しており、極めて変形しやすい。このため、巻出ローラ１１には、電解質膜２の変形を防止するために初期状態としてバックシート付きの電解質膜２が巻回されている。バックシートとしては、機械的な強度に富んで形状保持機能に優れた樹脂材料、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを用いることができる。本実施形態では、電解質膜２の裏面にバックシートが貼り合わされている。
巻出ローラ１１に巻回された初期状態のバックシート付き電解質膜２において、電解質膜２の膜厚は５μｍ〜３０μｍであり、幅は最大で３００ｍｍ程度である。また、バックシートの膜厚は２５μｍ〜１００μｍであり、その幅は電解質膜２の幅より若干大きい。なお、バックシートの幅は電解質膜２の幅と同じであっても良い。
巻出ローラ１１から巻取ローラ１４へと向かう電解質膜２の搬送経路の途中に、塗工ノズル２０および乾燥炉３０がこの順で設けられている。図２は、塗工ノズル２０およびバックアップローラ１５の周辺を拡大した図である。塗工ノズル２０は、電解質膜２の幅方向に沿ってスリット状の吐出口２１を備えたスリットノズルである。
塗工ノズル２０は、その吐出口２１からの吐出方向が概ね水平方向に沿うようにベースフレーム２２に取り付けられている。ベースフレーム２２は、駆動モータ２３によって回転されるボールネジ２４に螺合されている。また、ベースフレーム２２は、基台２５上に設置されたガイドレール２６に対して摺動自在に取り付けられている。駆動モータ２３がボールネジ２４を正方向または逆方向に回転させることによってベースフレーム２２がガイドレール２６に案内されて前後にスライド移動し、それに伴ってベースフレーム２２に取り付けられた塗工ノズル２０が矢印ＡＲ２にて示す如くバックアップローラ１５に対して近接または離間するように進退移動する。なお、塗工ノズル２０には、バックアップローラ１５に対する姿勢を調整する機構が付設されていても良い。
バックアップローラ１５は、塗工ノズル２０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、その回転軸が塗工ノズル２０のスリット状吐出口２１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、巻出ローラ１１から送り出されて連続走行する電解質膜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に接触して電解質膜２を支持する。よって、塗工ノズル２０は、その吐出口２１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ていることとなる。
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、バックアップローラ１５によって支持される電解質膜２の位置は安定している。よって、塗工ノズル２０の位置が一定であれば、バックアップローラ１５によって支持された電解質膜２と塗工ノズル２０の吐出口２１との間隔は安定して常に一定となる。
塗工ノズル２０には、インク供給機構２９から塗工液として触媒インクが供給される。本実施形態で使用される触媒インクは、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、カソード用の触媒インクの触媒粒子には白金、アノード用の触媒インクの触媒粒子には上述の白金合金が用いられる。
また、触媒粒子は、触媒微粒子が炭素粉に担持された、いわゆる触媒担持炭素粉であっても良い。触媒担持炭素の平均粒子径は、通常１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、好ましくは２０ｎｍ〜８０ｎｍ程度、最も好ましくは４０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。触媒微粒子を担持する炭素粉は特に制限されるものではなく、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。これらは、１種単独で使用しても良いし、２種以上併用しても良い。
上記のような触媒粒子に溶媒を加えてスリットノズルから塗布可能なペーストとする。溶媒としては、水、エタノール、ｎ−プロパノールおよびｎ−ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系およびフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。
さらに、溶媒中に触媒粒子を分散させた溶液にイオン交換基を有する高分子電解質溶液を加える。一例として、白金を５０ｗｔ％担持したカーボンブラック（田中貴金属工業（株）製の「TEC10E50E」）を水、エタノールおよび高分子電解質溶液（米国DuPont社製のNafion液「D2020」）に分散させて触媒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触媒インクとしてインク供給機構２９から塗工ノズル２０に供給する。
塗工ノズル２０は、インク供給機構２９から供給された上述の如き触媒インクを吐出口２１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。塗工ノズル２０は、連続して触媒インクを吐出するときには連続塗工を行うことができ、断続的に触媒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が、本実施形態では間欠塗工を行う。また、塗工ノズル２０が吐出する触媒インクの吐出流量は、制御部９０が例えばインク供給機構２９のポンプを制御することによって調整される。
図１に戻り、乾燥炉３０は、電解質膜２の搬送経路の経路途中であって、塗工ノズル２０よりも下流側に設置されている。乾燥炉３０は、その内部を通過する電解質膜２に７０〜１２０℃の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触媒インクの乾燥処理を行う。この乾燥処理によって触媒インクから溶剤が蒸発して触媒層が形成される。乾燥炉３０としては、公知の熱風乾燥炉を用いることができるが、熱風乾燥以外の遠赤外線、近赤外線、過熱水蒸気を用いた乾燥炉であっても良い。
乾燥炉３０を通過した電解質膜２は巻取ローラ１２によって巻き取られる。巻取ローラ１２は、裏面にバックシートが貼り合わされたまま表面に触媒層が形成された電解質膜２を巻き取る。また、巻取ローラ１２は、巻出ローラ１１から送り出されたバックシート付きの電解質膜２に一定の張力を与える。
また、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、間欠塗工装置１００に設けられた各動作機構が制御されて触媒層の形成処理が進行する。
次に、上記の構成を有する間欠塗工装置１００における動作内容について説明する。本実施形態の間欠塗工装置１００においては、巻出ローラ１１から送り出された基材である電解質膜２を巻取ローラ１２で巻き取ることによって電解質膜２をロールトゥロール方式にて一定速度で連続走行させる。そして、電解質膜２を連続走行させつつ、その電解質膜２の表面に塗工ノズル２０から塗工液として触媒インクを塗工する。このときに、塗工ノズル２０は、一定速度で走行する電解質膜２に対して触媒インクを断続的に塗工する間欠塗工を行う。
図３は、電解質膜の表面に触媒インクが間欠塗工された状態を模式的に示す平面図である。巻出ローラ１１から巻取ローラ１２に向けて一定速度で走行するバックシート６付き電解質膜２の表面に塗工ノズル２０から触媒インクを断続的に吐出することによって、図３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触媒インクの塗膜８が一定間隔で不連続に形成される。電解質膜２の表面に形成される各塗膜８の幅は、塗工ノズル２０のスリット状の吐出口２１の幅によって規定される。また、各塗膜８の長さは、塗工ノズル２０の触媒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。なお、触媒インクは塗工ノズル２０から塗工可能なペーストであり、電解質膜２上にて塗膜８の形状を維持できる程度の粘性を有している。
一定速度で走行する電解質膜２に対して図３に示すような間欠塗工を行うためには、塗工ノズル２０の吐出口２１に対向する位置に塗工領域（電解質膜２上の触媒インクを供給すべき領域）の塗工開始端が到達するよりも前に、吐出口２１から触媒インクを流出させて塗工ノズル２０の先端に触媒インクの液溜まりを形成しておく必要がある。その理由は、間欠塗工装置１００では特許文献２，３に記載の発明のように塗工開始時におけるノズルと基材との相対速度がゼロではなく、電解質膜２が常に一定速度で連続走行しているがために塗工領域の塗工開始端が吐出口２１に対向する位置に到達してから触媒インクの吐出を開始していたのでは間に合わないからである。
図４は、塗工ノズル２０の先端に触媒インクの液溜まり８１を形成した状態を示す図である。事前に塗工ノズル２０の先端に形成する触媒インクの液溜まり８１の大きさは、電解質膜２の表面に形成する塗膜８の膜厚に応じて異なる。厚い塗膜８を形成する場合には、図４（ａ）に示すように、塗工ノズル２０の先端に比較的大きな液溜まり８１を形成しておく必要がある。逆に、薄い塗膜８を形成する場合には、図４（ｂ）に示すように、塗工ノズル２０の先端に比較的小さな液溜まり８１を形成しておく必要がある。
一定速度で走行する電解質膜２に対して間欠塗工を行う際には、先端に触媒インクの液溜まり８１を形成した塗工ノズル２０を電解質膜２に近接させ、当該液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させる。このようにすれば、連続して走行する電解質膜２の塗工領域の塗工開始端から確実に触媒インクを塗工することができる。
ところが、単純に塗工ノズル２０を電解質膜２に近接させて液溜まり８１を塗工領域に接触させるだけでは次の図５に示すような不具合が生じる。図５は、単純に塗工ノズル２０を電解質膜２に近接させて液溜まり８１を塗工領域に接触させた場合に形成される塗膜８の塗工形状を示す図である。まず、図４（ａ）に示す如き比較的大きな液溜まり８１を電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に接触させた場合には、図５（ａ）に示すように、塗工開始端における触媒インクのはみ出し９１が生じる。これは多量の液溜まり８１が塗工ノズル２０の先端と電解質膜２との間で押し出されて拡がったためである。このような触媒インクのはみ出し９１は、液溜まり８１の液量が多い場合のみならず、触媒インクの表面張力が比較的低い場合にも生じる。なお、図５において、塗膜８の左端が塗工開始端であり、右端が塗工終了端である。
一方、図４（ｂ）に示す如き比較的小さな液溜まり８１を電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に接触させた場合には、図５（ｂ）に示すように、塗工開始端における触媒インクの収縮９２が生じる。これは液溜まり８１の液量が塗工ノズル２０の先端と電解質膜２との間を満たすのに不足しているためである。このような触媒インクの収縮９２は、液溜まり８１の液量が少ない場合のみならず、触媒インクの表面張力が比較的高い場合にも生じる。
また、図５（ａ）（ｂ）に示すように、塗工領域の塗工終了端においても触媒インクの収縮９３が生じている。これは、塗工終了端が近づくにつれて塗工ノズル２０から触媒インクの吐出流量が減少するためである。なお、塗工領域の塗工開始端と塗工終了端との間では、塗工ノズル２０から一定の吐出流量で吐出された触媒インクが毛細管現象によって塗工ノズル２０と電解質膜２との間に拡がるともに、塗工ノズル２０の先端部によって過度に拡がることが規制されるため、はみ出しも収縮も生じない安定した塗工が行われる。
図５（ａ）（ｂ）に示すような不均一な塗工形状となった場合には、高価な白金を触媒粒子として含む触媒インクに無駄が生じたり、或いは燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。そこで、本発明においては、以下のようにして均一な塗工形状を得るようにしている。
図６は、間欠塗工装置１００において一定速度で走行する電解質膜２に触媒インクを塗工する手順を示すフローチャートである。以下に説明する触媒インクの塗工手順は、制御部９０が間欠塗工装置１００の各動作機構を制御することにより進行する。
間欠塗工装置１００は、巻出ローラ１１から送り出した電解質膜２を巻取ローラ１２で巻き取ることによって電解質膜２を一定速度（本実施形態では、例えば１００ｍｍ／秒）で連続走行させている。そして、電解質膜２を連続走行させつつ、その電解質膜２の表面に塗工ノズル２０から触媒インクを間欠塗工する。固体高分子形燃料電池の電解質膜２に塗工する触媒インクは、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。塗工ノズル２０が塗工する触媒インクは、カソード用であってもアノード用であっても良い。触媒インクの粘度は例えば０．０５Ｐａ・ｓ（パスカル秒）であり、固形分濃度は例えば１５ｖｏｌ％である。
まず、塗工の間欠時、すなわち塗工ノズル２０がある塗工を完了してから次の塗工を行うまでの間に、図４に示すように、塗工ノズル２０の先端に触媒インクの液溜まり８１を形成する（ステップＳ１）。上述したように、電解質膜２の表面に比較的厚い塗膜８を形成する場合には、塗工ノズル２０の先端に比較的大きな液溜まり８１を形成する（図４（ａ））。一方、電解質膜２の表面に比較的薄い塗膜８を形成する場合には、塗工ノズル２０の先端に比較的小さな液溜まり８１を形成する（図４（ｂ））。
塗工の間欠時においては、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が移動ギャップＩＧとなるように塗工ノズル２０が位置している。「移動ギャップＩＧ」は５００μｍ〜３ｍｍ程度である。
次に、塗工ノズル２０の吐出口２１に対向する位置に電解質膜２の塗工領域の塗工開始端が到達する直前に制御部９０が駆動モータ２３を制御して塗工ノズル２０の移動を開始させ、塗工ノズル２０をバックアップローラ１５によって支持された電解質膜２に近接させる。このときには、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が移動ギャップＩＧから接触ギャップ（第１の間隔）ＳＧとなるように塗工ノズル２０を移動させる（ステップＳ２）。「接触ギャップＳＧ」とは、塗工ノズル２０の先端に形成された液溜まり８１がバックアップローラ１５によって支持された電解質膜２の表面に接触する塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔である。
塗工ノズル２０は、塗工ノズル２０の先端に形成された液溜まり８１が電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に接触するタイミングおよび移動速度にて接触ギャップＳＧに移動される。移動ギャップＩＧから接触ギャップＳＧに移動されるときの塗工ノズル２０の移動速度は例えば２５ｍｍ／秒である。なお、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動することを、簡略に接触ギャップＳＧに塗工ノズル２０が移動すると表記している（以降において同様の表記を用いることがある）。
続いて、触媒インクの液溜まり８１が電解質膜２の表面に接触した直後に、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が接触ギャップＳＧから塗工ギャップ（第２の間隔）ＴＧとなるように塗工ノズル２０を移動させる（ステップＳ３）。「塗工ギャップＴＧ」とは、塗工ノズル２０から触媒インクを吐出して定常的に電解質膜２の表面に塗工を行うときの塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔である。
ここで、接触ギャップＳＧと塗工ギャップＴＧとは異なる設定値である。接触ギャップＳＧは、後述するステップＳ４での塗工ノズル２０からの触媒インクの塗工によって電解質膜２の表面に形成される塗膜８の膜厚が厚いほど大きな値に設定される。そして、ステップＳ４での塗工によって電解質膜２の表面に形成される塗膜８の膜厚が所定値よりも厚くなると接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも大きな値に設定される。逆に、ステップＳ４での塗工によって電解質膜２の表面に形成される塗膜８の膜厚が所定値以下であれば接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも小さな値に設定される。
図７は、接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも大きい場合の塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔制御を示す図である。一方、図８は、接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも小さい場合の塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔制御を示す図である。図７および図８において、横軸には塗工ノズル２０の吐出口２１に対向している電解質膜２の位置を示し、縦軸には塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔を示している。
塗工ノズル２０の吐出口２１が電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に対向する時点で塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動する。電解質膜２の表面に形成される塗膜８の膜厚が所定値よりも厚い場合には、塗工ギャップＴＧよりも大きな接触ギャップＳＧに塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１が電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に接触する（図７）。触媒インクの液溜まり８１が電解質膜２の表面に接触した後、塗工ノズル２０は接触ギャップＳＧに短時間停止してから接触ギャップＳＧからそれよりも小さな塗工ギャップＴＧに移動する。一例として、塗工ノズル２０が接触ギャップＳＧに移動して液溜まり８１が塗工領域の塗工開始端に接触してから０．００１秒後に接触ギャップＳＧから塗工ギャップＴＧに塗工ノズル２０が移動を開始する。電解質膜２が１００ｍｍ／秒で走行しているのであれば、液溜まり８１が電解質膜２に接触してから塗工ノズル２０が接触ギャップＳＧに０．００１秒停止している間に電解質膜２は０．１ｍｍ走行することとなる。
また、接触ギャップＳＧから塗工ギャップＴＧに移動するときの塗工ノズル２０の移動速度は例えば２ｍｍ／秒であり、接触ギャップＳＧおよび塗工ギャップＴＧはそれぞれ例えば１５０μｍおよび１００μｍである。この場合、接触ギャップＳＧから塗工ギャップＴＧまでの塗工ノズル２０の移動時間は０．０２５秒となる。電解質膜２が１００ｍｍ／秒で走行しているのであれば、塗工ノズル２０が接触ギャップＳＧから塗工ギャップＴＧに移動している間に電解質膜２は２．５ｍｍ走行することとなる。その結果、塗工ノズル２０の先端が塗工領域の塗工開始端から約２．６ｍｍ離れた位置に対向する時点で塗工ノズル２０の塗工ギャップＴＧへの移動が完了することとなる。
塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧに移動した後、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔を塗工ギャップＴＧに維持しつつ、塗工ノズル２０から電解質膜２の表面の塗工領域に触媒インクを塗工する（ステップＳ４）。このように図７の場合には、事前に比較的大きな液溜まり８１を塗工ノズル２０の先端に形成し、定常的な塗工を行うときの塗工ギャップＴＧよりも大きな接触ギャップＳＧにて塗工ノズル２０が液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させているのである。
図９は、電解質膜２の表面に比較的厚い塗膜８を形成する場合に、比較的大きな液溜まり８１を形成した塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧよりも大きな接触ギャップＳＧに移動して当該液溜まり８１が電解質膜２に接触した状態を示す図である。このときの接触ギャップＳＧは定常的な塗工を行うときの塗工ギャップＴＧよりも大きいため、液溜まり８１の液量が多くても塗工ノズル２０の先端と電解質膜２との間で触媒インクが押し出されて塗工領域の幅方向両端から外側に拡がることは防止される。その結果、図５（ａ）に示したような、塗工領域の塗工開始端における触媒インクのはみ出し９１を解消することができる。
図１０は、塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧにて定常的な塗工処理を行っている状態を示す図である。塗工ノズル２０が一定速度で走行する電解質膜２に対して一定流量で触媒インクを吐出して定常的な塗工処理を行っているときには、触媒インクが毛細管現象によって塗工ノズル２０と電解質膜２との間に拡がるともに、塗工ノズル２０の先端部によって触媒インクが塗工領域の幅方向両端から外側に拡がることが規制されるため、はみ出しも収縮も生じない安定した塗工が行われる。
塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧに移動して定常的な塗工処理を所定時間行った時点で塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧから終了ギャップ（第３の間隔）ＥＧとなるように塗工ノズル２０が移動を開始する（ステップＳ５）。「終了ギャップＥＧ」とは、塗工ノズル２０が触媒インクの吐出を停止して塗工処理を終了するときの塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔である。塗工ノズル２０からの塗工処理を終了するときには塗工ノズル２０からの触媒インクの吐出流量を徐々に減少させる。塗工ノズル２０は、触媒インクの吐出流量減少を開始する直前に塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧに向けて移動を開始する。一例として、塗工ノズル２０の吐出口２１が電解質膜２の塗工領域の塗工終了端から１０ｍｍ手前の位置に対向した時点で触媒インクの吐出流量の減少を開始する。この場合であれば、例えば塗工ノズル２０の吐出口２１が電解質膜２の塗工領域の塗工終了端から１１ｍｍ手前の位置に対向した時点で塗工ノズル２０は塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧへの移動を開始する。
終了ギャップＥＧは塗工ギャップＴＧよりも小さい。上記の例のように塗工ギャップＴＧが１００μｍであれば、終了ギャップＥＧは例えば７０μｍである。また、塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧに移動するときの塗工ノズル２０の移動速度は例えば０．３ｍｍ／秒である。この場合、塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧまでの塗工ノズル２０の移動時間は約０．１秒となる。電解質膜２が１００ｍｍ／秒で走行しているのであれば、塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧに移動している間に電解質膜２は１０ｍｍ走行することとなる。その結果、塗工ノズル２０の吐出口２１が塗工領域の塗工終了端に対向する直前に塗工ノズル２０の終了ギャップＥＧへの移動が完了することとなる。
このようにすれば、塗工ノズル２０が塗工領域の塗工終了端に近づくにつれて塗工ノズル２０からの触媒インクの吐出流量は減少するものの、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔も塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧへと徐々に狭くなるため、触媒インクが収縮して塗工領域の幅方向両端から内側に縮小することは防止される。その結果、図５（ａ）（ｂ）に示したような、塗工領域の塗工終了端における触媒インクの収縮９３を解消することができる。
その後、塗工ノズル２０の吐出口２１が電解質膜２の塗工領域の塗工終了端に対向した時点で触媒インクの吐出を完全に停止するとともに、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が終了ギャップＥＧから移動ギャップＩＧとなるように塗工ノズル２０が移動を開始する（ステップＳ６）。終了ギャップＥＧから移動ギャップＩＧに移動されるときの塗工ノズル２０の移動速度は例えば２５ｍｍ／秒である。以降、ステップＳ１〜ステップＳ６の手順が繰り返されて電解質膜２に対する触媒インクの間欠塗工が行われる。
一方、電解質膜２の表面に形成される塗膜８の膜厚が所定値以下である場合には、塗工ギャップＴＧよりも小さな接触ギャップＳＧに塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１が電解質膜２の塗工領域の塗工開始端に接触する（図８）。触媒インクの液溜まり８１が電解質膜２の表面に接触した後、塗工ノズル２０は接触ギャップＳＧに短時間停止してから接触ギャップＳＧからそれよりも大きな塗工ギャップＴＧに移動する。
その後、上記図７におけるのと同様に、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔を塗工ギャップＴＧに維持しつつ、塗工ノズル２０から電解質膜２の表面の塗工領域に触媒インクを塗工する（ステップＳ４）。このように図８の場合には、事前に比較的小さな液溜まり８１を塗工ノズル２０の先端に形成し、定常的な塗工を行うときの塗工ギャップＴＧよりも小さな接触ギャップＳＧにて塗工ノズル２０が液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させているのである。
図１１は、電解質膜２の表面に比較的薄い塗膜８を形成する場合に、比較的小さな液溜まり８１を形成した塗工ノズル２０が塗工ギャップＴＧよりも小さな接触ギャップＳＧに移動して当該液溜まり８１が電解質膜２に接触した状態を示す図である。このときの接触ギャップＳＧは定常的な塗工を行うときの塗工ギャップＴＧよりも小さいため、液溜まり８１の液量が少なくても塗工ノズル２０の先端と電解質膜２との間を触媒インクで満たして塗工領域の幅方向両端から内側に触媒インクが縮小することは防止される。その結果、図５（ｂ）に示したような、塗工領域の塗工開始端における触媒インクの収縮９２を解消することができる。
その後、図７と同様に、定常的な塗工処理の終了時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧとなるように塗工ノズル２０が移動する（ステップＳ５）。そして、塗工ノズル２０の吐出口２１が電解質膜２の塗工領域の塗工終了端に対向した時点で塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が終了ギャップＥＧから移動ギャップＩＧとなるように塗工ノズル２０が移動するのも図７と同じである（ステップＳ６）。図８の場合も、ステップＳ１〜ステップＳ６の手順が繰り返されて電解質膜２に対する触媒インクの間欠塗工が行われる。
触媒インクが間欠塗工されて塗膜８が形成された電解質膜２が乾燥炉３０に搬送されて通過するときに、その塗膜８の乾燥処理が行われる。塗膜８の乾燥処理は、乾燥炉３０から塗膜８に７０〜１２０℃の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塗膜８が加熱されて溶媒成分が揮発し、塗膜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塗膜８が乾燥されて触媒層となる。乾燥炉３０を通過した電解質膜２は巻取ローラ１２によって巻き取られる。
本実施形態においては、基材である電解質膜２をロールトゥロール方式にて一定速度で連続して走行させつつ、その電解質膜２の表面に塗工ノズル２０から塗工液としての触媒インクを間欠塗工している。そして、一定速度で連続走行する電解質膜２に触媒インクを間欠塗工するために、塗工の間欠時に塗工ノズル２０の先端に触媒インクの液溜まり８１を形成する。このときに塗工ノズル２０の先端に形成される液溜まり８１の大きさは、電解質膜２の表面に形成する塗膜８の膜厚に応じて異なる。
厚い塗膜８を成膜する場合には、塗工ノズル２０の先端に比較的大きな液溜まり８１を形成し、塗工の開始時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧよりも大きな接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させる。液量の多い比較的大きな液溜まり８１であっても、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも大きいため、塗工領域から触媒インクがはみ出すことは防止される。
逆に、薄い塗膜８を成膜する場合には、塗工ノズル２０の先端に比較的小さな液溜まり８１を形成し、塗工の開始時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧよりも小さな接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させる。液量の少ない比較的小さな液溜まり８１であっても、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも小さいため、塗工領域にて触媒インクが収縮することは防止される。
すなわち、塗工の開始時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧとは異なる接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させることにより、塗工領域に過不足無く触媒インクを塗工するようにしている。その結果、連続走行する電解質膜２に対して間欠塗工を行うときの塗工開始時にも過不足の無い均一な塗工形状を得ることができる。接触ギャップＳＧは電解質膜２の表面に形成する塗膜８の膜厚が厚いほど大きくなり、その膜厚が所定値よりも厚くなると塗工ギャップＴＧよりも大きくなる。逆に、塗膜８の膜厚が所定値以下であれば接触ギャップＳＧは塗工ギャップＴＧよりも小さくなる。
また、塗工の終了時には、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧよりも小さい終了ギャップＥＧとなるように塗工ノズル２０が移動している。塗工の終了時には、塗工ノズル２０からの触媒インクの吐出流量が徐々に減少するのであるが、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔も塗工ギャップＴＧから終了ギャップＥＧへと徐々に狭くなるため、塗工領域に過不足無く触媒インクを塗工することができる。その結果、間欠塗工を行うときの塗工終了時にも過不足の無い均一な塗工形状を得ることができる。
このようにして、本発明に係る間欠塗工技術によれば、塗工の開始時および終了時の双方において過不足の無い均一な塗工形状を得ることができ、塗膜８全体の形状を均一なものとすることができる。図１２は、本発明に係る間欠塗工技術によって形成された塗膜８の塗工形状を示す図である。図５と比較すると明らかなように、塗工領域の塗工開始端および塗工終了端の双方において触媒インクのはみ出しや収縮は生じておらず、塗工領域に過不足無く塗膜８が均一に形成されている。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、電解質膜２の表面に形成する塗膜８の膜厚に応じて接触ギャップＳＧを規定していたが、これに代えて、塗工液たる触媒インクの表面張力に応じて接触ギャップＳＧを規定するようにしても良い。上述したように、触媒インクの表面張力によっても図５に示すような不具合が生じる。そこで、触媒インクの表面張力が低いほど接触ギャップＳＧが大きくなるようにし、その表面張力が所定値よりも低くなると接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも大きくなるように設定する。
触媒インクの表面張力が低い場合には、電解質膜２の表面に塗工された触媒インクが拡がりやすく、液溜まり８１の液量が多い場合と同じようなはみ出しが生じやすい。逆に、触媒インクの表面張力が高い場合には、液溜まり８１の液量が少ない場合と同じような触媒インクの収縮が生じやすい。
このため、触媒インクの表面張力が所定値よりも低い場合には、厚い塗膜８を形成する場合と同様に、塗工の開始時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧよりも大きな接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させる。触媒インクの表面張力が低くても、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも大きいために触媒インクが拡がりにくく、塗工領域から触媒インクがはみ出すことは防止される。
逆に、触媒インクの表面張力が所定値以上である場合には、薄い塗膜８を形成する場合と同様に、塗工の開始時に塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との間隔が塗工ギャップＴＧよりも小さな接触ギャップＳＧとなるように塗工ノズル２０が移動して液溜まり８１を塗工領域の塗工開始端に接触させる。触媒インクの表面張力が高い場合には触媒インクが収縮しやすいが、塗工ノズル２０の先端と電解質膜２の表面との接触ギャップＳＧが塗工ギャップＴＧよりも小さいため、触媒インクが塗工ノズル２０と電解質膜２との間で毛細管現象によって拡がり、塗工領域にて触媒インクが収縮することは防止される。このようにしても、連続走行する電解質膜２に対して間欠塗工を行うときの塗工開始時に過不足の無い均一な塗工形状を得ることができる。
また、本発明に係る技術は、バックシート６を剥離した電解質膜２の裏面に触媒インクを間欠塗工するときにも適用することができる。電解質膜２の表面および裏面に極性の異なる触媒インクを間欠塗工して触媒層を形成することにより、膜・触媒層接合体を得ることができる。
また、本発明に係る技術は、燃料電池の電解質膜２に対する触媒インクの間欠塗工への適用に限定されるものではなく、ロールトゥロール方式にて連続走行される他の種類の基材に塗工液を間欠的に塗工する技術に適用することもできる。例えば、リチウムイオン二次電池の集電体として機能する金属箔をロールトゥロール方式にて連続走行させつつ、その金属箔に正極または負極の活物質を含む塗工液を間欠塗工するときにも本発明に係る技術を適用することができる。また、ＰＥＮまたはＰＥＴなどの樹脂フィルムをロールトゥロール方式にて連続走行させつつ、その樹脂フィルムに塗工液を間欠塗工して機能層を形成するときにも本発明に係る技術を適用することができる。もっとも、本発明に係る技術を燃料電池の電解質膜２に対する触媒インクの間欠塗工に適用すれば、塗工領域に過不足無く触媒インクを塗工することができ、高価な白金を触媒粒子として含む触媒インクのロスを抑制できるため好適である。
本発明は、基材をロールトゥロール方式にて連続走行させつつ、その基材に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工技術に適用することができ、特に白金を触媒粒子として含む触媒インクを電解質膜に間欠塗工して膜・触媒層接合体を製造する技術に好適である。
２ 電解質膜
６ バックシート
８ 塗膜
１１ 巻出ローラ
１２ 巻取ローラ
１５ バックアップローラ
２０ 塗工ノズル
２１ 吐出口
２３ 駆動モータ
２９ インク供給機構
３０ 乾燥炉
８１ 液溜まり
９０ 制御部
１００ 間欠塗工装置
ＥＧ 終了ギャップ
ＩＧ 移動ギャップ
ＳＧ 接触ギャップ
ＴＧ 塗工ギャップ

Claims (14)

  1. 第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって当該基材を連続走行させつつ、当該基材に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工方法であって、
    先端に塗工液の液溜まりを形成したスリットノズルをバックアップローラによって支持された前記基材に近接させ、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を前記液溜まりが前記基材の表面に接触する第１の間隔とする接触工程と、
    前記液溜まりが前記基材の表面に接触した後、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第１の間隔とは異なる第２の間隔となるように前記スリットノズルを移動させる移動工程と、
    前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を第２の間隔に維持しつつ、前記スリットノズルから前記基材の表面に塗工液を塗工する塗工工程と、
    を備えることを特徴とする間欠塗工方法。
  2. 請求項１記載の間欠塗工方法において、
    前記塗工工程にて前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が厚いほど前記接触工程での第１の間隔が大きくなることを特徴とする間欠塗工方法。
  3. 請求項２記載の間欠塗工方法において、
    前記塗工工程にて前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が所定値よりも厚くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする間欠塗工方法。
  4. 請求項１記載の間欠塗工方法において、
    塗工液の表面張力が低いほど前記接触工程での第１の間隔が大きくなることを特徴とする間欠塗工方法。
  5. 請求項４記載の間欠塗工方法において、
    塗工液の表面張力が所定値よりも低くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする間欠塗工方法。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の間欠塗工方法において、
    前記塗工工程の終了時には、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔となるように前記スリットノズルを移動させることを特徴とする間欠塗工方法。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の間欠塗工方法において、
    前記基材は、燃料電池の電解質膜であり、
    前記塗工液は、白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであることを特徴とする間欠塗工方法。
  8. 第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって当該基材を連続走行させつつ、当該基材に塗工液を間欠的に塗工する間欠塗工装置であって、
    走行する前記基材を支持するバックアップローラと、
    前記バックアップローラによって支持された前記基材に塗工液を塗工するスリットノズルと、
    前記バックアップローラに対して近接または離間するように前記スリットノズルを移動させる駆動手段と、
    前記駆動手段を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、先端に塗工液の液溜まりを形成した前記スリットノズルが前記バックアップローラによって支持された前記基材に近接し、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が前記液溜まりが前記基材の表面に接触する第１の間隔に前記スリットノズルが移動するとともに、前記液溜まりが前記基材の表面に接触した後、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第１の間隔とは異なる第２の間隔に前記スリットノズルが移動して基材の表面に塗工液を塗工するように前記駆動手段を制御することを特徴とする間欠塗工装置。
  9. 請求項８記載の間欠塗工装置において、
    前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔を第２の間隔に維持しつつ、前記スリットノズルから塗工液を塗工して前記基材の表面に形成する塗膜の膜厚が厚いほど第１の間隔が大きくなることを特徴とする間欠塗工装置。
  10. 請求項９記載の間欠塗工装置において、
    前記基材の表面に形成される塗膜の膜厚が所定値よりも厚くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする間欠塗工装置。
  11. 請求項８記載の間欠塗工装置において、
    塗工液の表面張力が低いほど第１の間隔が大きくなることを特徴とする間欠塗工装置。
  12. 請求項１１記載の間欠塗工装置において、
    塗工液の表面張力が所定値よりも低くなると第１の間隔が第２の間隔よりも大きくなることを特徴とする間欠塗工装置。
  13. 請求項８から請求項１２のいずれかに記載の間欠塗工装置において、
    前記スリットノズルからの塗工を終了するときには、前記制御手段は、前記スリットノズルの前記先端と前記基材の表面との間隔が第２の間隔よりも小さい第３の間隔に前記スリットノズルが移動するように前記駆動手段を制御することを特徴とする間欠塗工装置。
  14. 請求項８から請求項１３のいずれかに記載の間欠塗工装置において、
    前記基材は、燃料電池の電解質膜であり、
    前記塗工液は、白金または白金合金の触媒粒子を含有する触媒インクであることを特徴とする間欠塗工装置。
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