JP2015220185A - 膜電極接合体の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体の電解質膜にシワが入ることを防止することのできる膜電極接合体の製造装置を提供する。【解決手段】減圧チャンバ５０と、載置される電解質膜２１を吸着自在な載置面６１を備える吸着ステージ６０と、減圧チャンバ内を吸引して減圧するとともに、載置面の反対側の面から載置面を吸引して、電解質膜を載置面に固定させる吸引部９０と、吸引部によって載置面に固定される電解質膜の表面２１Ｓに、触媒層形成用インク２２Ａを塗布する塗布部７０と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体の製造装置及び製造方法に関する。

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への負荷が少ないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜、当該電解質膜の両面に形成される触媒層、ガス拡散層等を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ 以下、ＭＥＡと称する）を含む。膜電極接合体がセパレータを介して複数積層されて燃料電池が構成される。

例えば、下記の特許文献１には、電解質膜に触媒層形成用インクを塗布する工程、及び塗布した触媒層形成用インクを常温にて減圧乾燥させて触媒層を形成する工程を備える膜電極接合体の製造方法が開示されている。

特開２０１０−３３７３１号公報

特許文献１に記載の膜電極接合体の製造方法では、電解質膜に触媒層形成用インクを塗布する際に、電解質膜が膨潤する虞がある。一方、電解質膜の表面に触媒層形成用インクが塗布された状態で、触媒層形成用インクを減圧乾燥させて触媒層を形成する際に、電解質膜が収縮する虞がある。このように電解質膜が膨潤または収縮することによって、電解質膜にシワが入ってしまい、完成した燃料電池が所望の電池性能を満足することができない虞がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体の電解質膜にシワが入ることを防止することのできる膜電極接合体の製造装置及び製造法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る膜電極接合体の製造装置は、電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造装置である。膜電極接合体の製造装置は、減圧チャンバと、前記減圧チャンバ内に設けられ、載置される前記電解質膜を吸着自在な載置面を備える吸着ステージと、を有する。膜電極接合体の製造装置は、前記減圧チャンバ内を吸引して減圧するとともに、前記載置面の反対側の面から前記載置面を吸引して、前記電解質膜を前記載置面に固定させる吸引部を有する。膜電極接合体の製造装置は、前記吸引部によって前記載置面に固定される前記電解質膜の表面に、前記触媒層形成用インクを塗布する塗布部を有する。前記吸引部は、前記電解質膜を前記載置面に固定させつつ前記減圧チャンバ内を減圧することによって、前記触媒層形成用インクを乾燥させる。

また、上記目的を達成する本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造方法である。膜電極接合体の製造方法は、減圧チャンバ内に設けられる吸着ステージの載置面に前記電解質膜を載置する載置工程を有する。膜電極接合体の製造方法は、前記載置面に対して反対側の面から吸引して、前記載置面に載置される前記電解質膜を固定する吸着工程を有する。膜電極接合体の製造方法は、前記載置面に固定される前記電解質膜の表面に、前記触媒層形成用インクを塗布する塗布工程を有する。膜電極接合体の製造方法は、前記電解質膜を前記載置面に固定させつつ、前記減圧チャンバ内を吸引して減圧することによって、前記電解質膜上に塗布された前記触媒層形成用インクを乾燥する乾燥工程を有する。

上述した膜電極接合体の製造装置及び製造方法によれば、電解質膜に触媒層形成用インクを塗布する際に、電解質膜は吸着ステージの載置面に吸着されるため、電解質が膨潤することを好適に防止することができる。一方、電解質膜の表面に塗布された触媒層形成用インクを減圧乾燥させる際に、電解質膜は吸着ステージの載置面に吸着されるため、電解質膜が収縮することを好適に防止することができる。したがって、膜電極接合体の電解質膜にシワが入ることを防止することができる。

本実施形態に係る燃料電池のセル構造を示す断面図である。 本実施形態に係る膜電極接合体の製造装置を示す概略構成図である。 本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。 膜電極接合体の製造方法の初期状態を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第１吸着工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第１塗布工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第１塗布工程終了時の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第１乾燥工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第１乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第２吸着工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の剥離工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第２塗布工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第２塗布工程終了時の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第２乾燥工程の様子を示す概略図である。 膜電極接合体の製造方法の第２乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の単セル１０を示す断面図である。

単セル１０は、図１に示すように、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等に適用され、ＭＥＡ（膜電極接合体）２０、セパレータ３１、３２、及びガスケット４１，４２を有する。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１、触媒層２２、２３、ガス拡散層２４、２５を有する。

触媒層２２は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、電解質膜２１の一方の側に配置される。

触媒層２３は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、電解質膜２１の他方の側に配置される。

電解質膜２１は、触媒層２２で生成したプロトンを触媒層２３へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

ガス拡散層２４は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ３１と触媒層２２との間に位置している。

ガス拡散層２５は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ３２と触媒層２３との間に位置している。

セパレータ３１、３２は、単セル１０を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。セパレータ３１、３２は、ＭＥＡ２０と略同一形状であり、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことによって形成される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。

セパレータ３１は、ＭＥＡ２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層２２に相対し、ＭＥＡ２０とセパレータ３１との間に位置するガス流路を構成する溝部３１ａを有する。溝部３１ａは、燃料ガスを触媒層２２に供給するために利用される。

セパレータ３２は、ＭＥＡ２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層２３に相対し、ＭＥＡ２０とセパレータ３２との間に位置するガス流路を構成する溝部３２ａを有する。溝部３２ａは、酸化剤ガスを触媒層２３に供給するために利用される。

ガスケット４１、４２は、枠形状を有し、電解質膜２１の外周部の両面に配置される。

ガスケット４１は、触媒層２２（およびガス拡散層２４）を包囲するように塗布されており、触媒層２２に供給される燃料ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。

ガスケット４２は、触媒層２３（およびガス拡散層２５）を包囲するように塗布されており、触媒層２３に供給される酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。

次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。

電解質膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

電解質膜２１の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層（カソード触媒層）２３に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）２２に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。

触媒層２２、２３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、電解質膜２１に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜２１に対する触媒層２２、２３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

本実施形態では触媒層２２，２３として、高沸点溶剤（プロピレングリコール（ＰＧ）、プロピレングリコール１−モノメチルエーテル２−アセテート（ＰＥＧＭＥＡ）、１−メトキシ−２−プロパノール（ＰＧＭＥ）など）を添加できる。これは後述するように、触媒層２２，２３を減圧することによって乾燥するためである。このように高沸点溶剤を添加することによって、触媒層形成用インク２２Ａ，２３Ａの乾燥性を制御し易く、塗布中に発生する異物やスジムラ、乾燥中に発生するひび割れの発生を抑制できる。

触媒層の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）および酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、１〜２０μｍが好ましい。

ガス拡散層２４、２５は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０〜５００μｍが好ましい。ガス拡散層２４、２５は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

セパレータ３１、３２は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、溝部３１ａ、３２ａは、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。

ガスケット４１、４２は、接着剤から形成される。接着剤には、例えば、熱可塑性の接着剤であるホットメルト剤を使用することができる。ガスケット４１、４２の厚さは、１０μｍ〜２ｍｍが好ましい。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００について説明する。なお、以下の説明で、「電解質膜２１」と記載する場合において、「一方の面に保護シートＳが貼り付けられた電解質膜２１」を意味する場合がある。

図２は、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００を示す概略構成図である。

膜電極接合体２０の製造装置１００は、電解質膜２１に触媒成分を含有する触媒層形成用インク２２Ａを塗布することによって、電解質膜２１及び触媒層２２を有する膜電極接合体２０を製造する製造装置である。

膜電極接合体２０の製造装置１００は、図２に示すように、減圧チャンバ５０と、吸着ステージ６０と、塗布部７０と、搬送部８０と、吸引部９０と、駆動部１２０と、制御部１３０と、を有する。減圧チャンバ５０、吸着ステージ６０、及び搬送部８０は、減圧乾燥装置１４０を構成する。

減圧チャンバ５０は、内部空間の圧力を減圧可能に構成される。減圧チャンバ５０の内部空間における圧力は、後述する吸引部９０の第１吸引部９１によって、例えば、５Ｐａ〜４０００Ｐａの範囲に設定され得る。

減圧チャンバ５０は、上側チャンバ５１と、下側チャンバ５６と、を有する。

上側チャンバ５１は、駆動部１２０によって、図２の上下方向に移動可能に構成される。上側チャンバ５１は、後述する第１吸引部９１の第１配管９８が気密に連結される開口部５２を有する。また、上側チャンバ５１には、減圧乾燥時の吸引ムラを低減するための整流プレート５４が設けられる。なお、図２において、整流プレート５４は断面図によって示し、ハッチングは省略している。

下側チャンバ５６は、後述する第２吸引部９２の第２配管９５が気密に連結される開口部５７を有する。

上側チャンバ５１の端部５３及び下側チャンバ５６の端部５８が、互いに接触した状態で、減圧チャンバ５０の内部空間は減圧される。

吸着ステージ６０は、減圧チャンバ５０内に設けられ、載置される電解質膜２１を吸着自在な載置面６１を備える。吸着ステージ６０は、減圧チャンバ５０の下側チャンバ５６の上面に載置される。後述する吸引部９０の第２吸引部９２が、吸着ステージ６０の貫通孔（不図示）を吸引することによって、吸着ステージ６０の載置面６１が負圧となり、電解質膜２１が吸着ステージ６０の載置面６１に固定される。

吸着ステージ６０の載置面６１は、電解質膜２１の全面を吸着するように構成されることが好ましい。また、吸着ステージ６０の載置面６１には、撥水処理が施されることが好ましい。撥水処理は、例えば、フッ素系表面処理であるが、これに限定されない。このように吸着ステージ６０の載置面６１に撥水処理を施すことによって、吸着ステージ６０の載置面６１に触媒層形成用インク２２Ａが付着した場合、触媒層形成用インク２２Ａを弾くことができる。したがって、吸着ステージ６０の貫通孔の目詰まりを防止し、吸着ステージ６０の吸着性能を維持することができる。

塗布部７０は、吸引部９０によって吸着ステージ６０の載置面６１に固定される電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａを塗布する。塗布部７０は、駆動部１２０によって、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａを塗布するように移動される。

塗布部７０は、例えば、スリットダイ方式が適用され、ダイに形成したスリットから触媒層形成用インク２２Ａが押し出されて塗布される。塗布部７０の吐出の方式は、スリットダイ方式に限定されず、スプレー方式、インクジェット方式等が用いられ得る。

搬送部８０は、吸着ステージ６０の載置面６１に電解質膜２１を搬送するとともに、載置面６１に載置される電解質膜２１を減圧チャンバ５０外へ搬出する。

搬送部８０は、第１吸引部９１が吸引することによって電解質膜２１を吸着する吸着面８１Ａを備えるステージ８１と、ステージ８１を移動させる移動部８２と、を有する。

ステージ８１の吸着面８１Ａは、吸引部９０の第１吸引部９１が吸引することによって、電解質膜２１を吸着する。より具体的には、第１吸引部９１が、ステージ８１の貫通孔（不図示）を吸引することによって、吸着面８１Ａが負圧となり、電解質膜２１が吸着面８１Ａに吸着されて固定される。そして、吸着面８１Ａに固定された電解質膜２１を吸着ステージ６０の所望の位置に搬送する。また、載置面６１に載置される電解質膜２１を、吸着面８１Ａによって固定し、減圧チャンバ５０外へ搬出する。

ステージ８１の吸着面８１Ａは、電解質膜２１の全面を吸着するように構成されることが好ましい。また、ステージ８１の吸着面８１Ａには、吸着ステージ６０の載置面６１と同様に、撥水処理が施されることが好ましい。

移動部８２は、例えば、自動搬送ロボットや自動搬送アームである。なお、移動部８２の制御は、制御部１３０によって行われる。

吸引部９０は、吸着ステージ６０の載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に固定させた後に、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧する。

吸引部９０は、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧するとともに、ステージ８１の貫通孔を吸引する第１吸引部９１と、載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に固定させる第２吸引部９２と、を有する。

電解質膜２１の表面２１Ｓに触媒層形成用インク２２Ａが塗布された状態で、第２吸引部９２が電解質膜２１を吸着ステージ６０の載置面６１に固定させ、第１吸引部９１が減圧チャンバ５０内を減圧することによって、触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させる。このとき、吸着ステージ６０の載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力Ｐ１は、減圧チャンバ５０内の圧力Ｐ２よりも小さく設定することが好ましい。このように設定することで、減圧乾燥する際に、電解質膜２１が吸着ステージ６０から剥離することを好適に防止することができる。

第１吸引部９１は、第１ポンプ９６と、第１ポンプ９６の吸引圧を調整する第１開閉弁９７と、第１ポンプ９６の吸引圧を減圧チャンバ５０内に連通させる第１配管９８と、を有する。

第１ポンプ９６は、メカニカルブースターポンプであって、例えば２５０Ｐａ，５０Ｐａ，４０Ｐａの３段階の圧力調整が可能である。このため、減圧チャンバ５０内の圧力を、大気圧から２５０Ｐａ、２５０Ｐａから５０Ｐａ、５０Ｐａから４０Ｐａと、段階的に下げることが可能である。なお、圧力調整が可能な段階数は、３回に限定されない。この構成によれば、触媒層形成用インク２２Ａの急激な乾燥を防止でき、触媒層２２にクラックが発生することを防止することができる。

第２吸引部９２は、第２ポンプ９３と、第２ポンプ９３の吸引圧を調整する第２開閉弁９４と、第２ポンプ９３の吸引圧を吸着ステージ６０の貫通孔に連通する第２配管９５と、を有する。第２吸引部９２は、加圧手段９９をさらに有する。

第２ポンプ９３は、第１ポンプ９６と同様の構成であるため、説明は省略する。

第２開閉弁９４は三方弁であって、第２ポンプ９３と加圧手段９９の圧力を調整しつつ切り替え可能に構成される。

加圧手段９９は、吸着ステージ６０の載置面６１の反対側の面から載置面６１を加圧することによって、吸着ステージ６０の載置面６１に載置される電解質膜２１を剥離することができる。

駆動部１２０は、上側チャンバ５１を上下方向に移動させ、塗布部７０を水平方向に移動させる。駆動部１２０は、ボールネジ等による昇降機構及びボールネジやリニアスライダーによる横行機構により構成される。なお、駆動部１２０の制御は、制御部１３０によって行われる。

制御部１３０は、例えばＣＰＵを含むコンピュータにより構成される。

次に、図３〜図１５を参照して、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造方法について説明する。

図３は、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。図４は、膜電極接合体の製造方法の初期状態を示す概略図である。図５は、膜電極接合体の製造方法の第１吸着工程の様子を示す概略図である。図６は、膜電極接合体の製造方法の第１塗布工程の様子を示す概略図である。図７は、膜電極接合体の製造方法の第１塗布工程終了時の様子を示す概略図である。図８は、膜電極接合体の製造方法の第１乾燥工程の様子を示す概略図である。図９は、膜電極接合体の製造方法の第１乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。図１０は、膜電極接合体の製造方法の第２吸着工程の様子を示す概略図である。図１１は、膜電極接合体の製造方法の剥離工程の様子を示す概略図である。図１２は、膜電極接合体の製造方法の第２塗布工程の様子を示す概略図である。図１３は、膜電極接合体の製造方法の第２塗布工程終了時の様子を示す概略図である。図１４は、膜電極接合体の製造方法の第２乾燥工程の様子を示す概略図である。図１５は、膜電極接合体の製造方法の第２乾燥工程終了時の様子を示す概略図である。なお、図４〜１５において、理解の容易のため、搬送部８０、吸引部９０、駆動部１２０、及び制御部１３０は省略して示す。

まず、図４に示すように、膜電極接合体２０の製造装置１００をセットする。

次に、図５に示すように、一方の面に保護シートＳが貼り付けられた電解質膜２１を搬送部８０によって搬送し、載置面６１の所望の位置に載置する（第１載置工程Ｓ０１）。このとき、保護シートＳが載置面６１側となるように載置する。

次に、第２吸引部９２が、載置面６１に対して反対側の面から吸引して、載置面６１に載置される電解質膜２１を、保護シートＳを介して載置面６１に固定する（第１吸着工程Ｓ０２）。

次に、図６に示すように、塗布部７０が、載置面６１に固定される電解質膜２１の表面２１Ｓに、触媒層形成用インク２２Ａを塗布する（第１塗布工程Ｓ０３）。このとき、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａを塗布するように、駆動部１２０によって塗布部７０を移動させる。そして、図７に示すように、電解質膜２１の表面２１Ｓの所望の位置に触媒層形成用インク２２Ａが塗布される。第１塗布工程Ｓ０３において、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に固定されるため、電解質膜２１が膨潤することを好適に防止することができる。

次に、図８に示すように、上側チャンバ５１を下側チャンバ５２に近接させる。そして、電解質膜２１を載置面６１に固定させつつ、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧することによって、電解質膜２１上に塗布された触媒層形成用インク２２Ａを乾燥する（第１乾燥工程Ｓ０４）。より具体的には、第２吸引部９２が吸引することによって、電解質膜２１を吸着ステージ６０の載置面６１に吸着して固定させる。一方、第１吸引部９１が吸引して、減圧チャンバ５０内を減圧する。このとき、上述したように、載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力Ｐ１は、減圧チャンバ５０内の圧力Ｐ２よりも小さく設定することが好ましい。このように設定することで、電解質膜２１が吸着ステージ６０から剥離することを好適に防止することができる。また、上述したように、第１ポンプ９６は、２５０Ｐａ，５０Ｐａ，４０Ｐａの３段階の圧力調整が可能であるため、減圧チャンバ５０内の圧力を、大気圧から２５０Ｐａ、２５０Ｐａから５０Ｐａ、５０Ｐａから４０Ｐａと、段階的に下げることができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの急激な乾燥を防止でき、触媒層２２にクラックが発生することを防止することができる。第１乾燥工程Ｓ０４において、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着されるため、電解質膜２１が収縮することを好適に防止することができる。

以上の工程によって、図９に示すように、電解質膜２１の保護シートＳが貼り付けられる面の反対側の面に触媒層２２が形成される。

次に、搬送部８０によって、電解質膜２１を減圧チャンバ５０外へ搬出する。このとき、上述したように、第２吸引部９２の加圧手段９９は、載置面６１を加圧することによって、載置面６１に載置される電解質膜２１を剥離するように構成される。したがって、容易に、載置面６１に載置される電解質膜２１を剥離でき、電解質膜２１の搬出作業が容易となる。

次に、図１０に示すように、上側に保護シートＳが、下側に触媒層２２が配置されるように電解質膜２１の上下を反転させる（反転工程Ｓ０５）。電解質膜２１の上下の反転方法は、特に限定されないが、例えば、吸着ステージ６０が反転機構を有することで反転が可能である。

そして再度、電解質膜２１を搬送部８０によって搬送し、吸着ステージ６０の載置面６１に載置する（第２載置工程Ｓ０６）。このとき、触媒層２２が吸着ステージ６０の載置面６１側となるように載置する。

次に、第２吸引部９２が、載置面６１を吸引して、載置面６１に載置される電解質膜２１を、触媒層２２を介して載置面６１に固定する（第２吸着工程Ｓ０７）。

次に、図１１に示すように、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する（剥離工程Ｓ０８）。具体的には、まず、上側チャンバ５１を下側チャンバ５６に近接させる。そして、第２吸引部９２が吸引することによって、吸着ステージ６０の載置面６１に電解質膜２１及び触媒層２２が吸着され、第１吸引部９１が吸引することによって、ステージ８１の吸着面８１Ａに保護シートＳが吸着される。そして、上側チャンバ５１を下側チャンバ５６から離間することによって、保護シートＳが、電解質膜２１から剥離される。

膜電極接合体２０の製造装置１００は、図１１に示すように、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する際の帯電を除去する除電部１６０をさらに有することが好ましい。除電部１６０は、例えばイオナイザーであって、電解質膜２１及び保護シートＳが剥離する剥離面に照射されるように配置される。このように、除電部１６０が設けられることによって、電解質膜２１の静電破壊や、吸着ステージ６０の鏡面化を抑制することができる。

次に、図１２に示すように、塗布部７０が、載置面６１に固定される電解質膜２１の触媒層２２が形成される面と反対側の面に、触媒層形成用インク２３Ａを塗布する（第２塗布工程Ｓ０９）。そして、図１３に示すように、電解質膜２１の触媒層２２が形成される面と反対側の面の所望の位置に触媒層形成用インク２３Ａが塗布される。

次に、図１４に示すように、上側チャンバ５１を下側チャンバ５２に近接させる。そして、電解質膜２１を載置面６１に固定させつつ、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧することによって、電解質膜２１上に塗布された触媒層形成用インク２３Ａを乾燥させる（第２乾燥工程Ｓ１０）。

以上の工程によって、図１５に示すように、電解質膜２１の両面に触媒層２２，２３が形成される。この後、必要に応じて、ガス拡散層２４，２５を触媒層２２，２３の電解質膜が設けられる面と反対側の面に形成して単セル１０が完成する。

以上説明したように、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造装置１００において、電解質膜２１に触媒層形成用インク２２Ａを塗布する際に、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着される。このため、電解質膜２１が膨潤することを好適に防止することができる。一方、電解質膜２１の表面２１Ｓに塗布された触媒層形成用インク２２Ａを減圧乾燥させる際に、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着されるため、電解質膜２１が収縮することを好適に防止することができる。したがって、膜電極接合体２０の電解質膜２１にシワが入ることを防止することができる。

また、減圧チャンバ５０内で、触媒層形成用インク２２Ａの塗布及び乾燥を行うため、製造装置全体としての専有面積を小さくすることができる。さらに、熱源を使用することなく減圧することによって触媒層形成用インク２２Ａを乾燥させるために、製造コストを低減することができる。また、電解質膜２１に触媒層形成用インク２２Ａを塗布した後に搬送することなく、乾燥させるため、製造時間の短縮を図ることができる。

また、吸引部９０は、減圧チャンバ５０内を吸引して減圧する第１吸引部９１と、載置面６１の反対側の面から載置面６１を吸引して、電解質膜２１を載置面６１に吸着して固定させる第２吸引部９２と、を有する。このため、乾燥工程Ｓ０４において、載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力Ｐ１を、減圧チャンバ５０内の圧力Ｐ２よりも小さく設定することができ、吸着ステージ６０から電解質膜２１が剥離することを好適に防止することができる。

また、載置面６１に電解質膜２１を搬送するとともに、載置面６１に載置される電解質膜２１を減圧チャンバ５０外へ搬出する搬送部８０をさらに有する。搬送部８０は、第１吸引部９１が吸引することによって電解質膜２１を吸着する吸着面８１Ａを有する。このため、吸着ステージ６０の載置面６１に電解質膜２１を精度良く載置することができ、触媒層形成用インク２２Ａを精度良く塗布することができる。

また、載置面６１及び吸着面８１Ａは、電解質膜２１の全面を吸着する。このため、電解質膜２１の膨潤や収縮の発生をより好適に防止することができる。

また、載置面６１及び吸着面８１Ａには、撥水処理が施される。このため、載置面６１または吸着面８１Ａに触媒層形成用インク２２Ａが付着した場合、触媒層形成用インク２２Ａを弾くことができる。したがって、吸着ステージ６０及びステージ８１の貫通孔の目詰まりを防止し、吸着ステージ６０及びステージ８１の吸着性能を維持することができる。

また、第１吸引部９１は、メカニカルブースターポンプを有する。このため、減圧チャンバ内を高真空にすることができ、触媒層形成用インク２２Ａとして、沸点が約７０℃の低沸点溶剤から、約２００℃の高沸点溶剤まで、使用することができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの乾燥の進行を抑制でき、触媒層形成用インク２２Ａの凝集起因の異物やスジムラの発生を抑制できる。

また、メカニカルブースターポンプは、３段階の圧力調整が可能である。このため、触媒層形成用インク２２Ａの急激な乾燥を防止でき、触媒層２２にクラックが発生することを防止できる。

また、第２吸引部９２は、載置面６１の反対側の面から載置面６１を加圧する加圧手段９９をさらに有し、加圧手段９９は、載置面６１に載置される電解質膜２１を剥離する。このため、第１乾燥工程Ｓ０４の後に、電解質膜２１を減圧チャンバ５０内から搬出する際に、容易に電解質膜２１を載置面６１から剥離することができる。

また、電解質膜２１には、一方の面に保護シートＳが貼り付けられている。また、載置面６１は電解質膜２１を吸着し、吸着面８１Ａは、保護シートＳを吸着した状態で互いに離間することによって、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する。このため、保護フィルムＳを剥離する際に、電解質膜２１は載置面６１に吸着されているため、電解質膜２１にシワが入ることを防止することができる。

また、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する際の帯電を除去する除電部１６０を有する。このため、電解質膜２１の静電破壊や、吸着ステージ６０の鏡面化を抑制することができる。

また、塗布部７０は、スリットダイ方式、スプレー方式、またはインクジェット方式が適用される。このため、多様なウェットプロセスの塗布に適用できる。

また、本実施形態に係る膜電極接合体２０の製造方法において、電解質膜２１に触媒層形成用インク２２Ａを塗布する際に、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着される。このため、電解質膜２１が膨潤することを好適に防止することができる。一方、電解質膜２１の表面２１Ｓに塗布された触媒層形成用インク２２Ａを減圧乾燥させる際に、電解質膜２１は吸着ステージ６０の載置面６１に吸着される。このため、電解質膜２１が収縮することを好適に防止することができる。したがって、膜電極接合体２０の電解質膜２１にシワが入ることを防止することができる。

また、乾燥工程Ｓ０４において、減圧チャンバ５０内の圧力Ｐ２は、吸着ステージ６０の載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力Ｐ１よりも大きい。このため、乾燥工程Ｓ０４において、吸着ステージ６０から電解質膜２１が剥離することを好適に防止することができる。

また、乾燥工程Ｓ０４において、減圧チャンバ内５０の圧力は、５Ｐａ〜４０００Ｐａである。このため、減圧チャンバ５０内を高真空にすることができ、触媒層形成用インク２２Ａとして、沸点が約７０℃の低沸点溶剤から、約２００℃の高沸点溶剤まで、使用することができる。したがって、触媒層形成用インク２２Ａの乾燥の進行を抑制でき、触媒層形成用インク２２Ａの凝集起因の異物やスジムラの発生を抑制できる。

以下、上述した実施形態の改変例を例示する。

上述した実施形態では、吸引部９０は第１吸引部９１及び第２吸引部９２を有した。しかしながら、吸引部は１つから構成されてもよく、このとき、調整バルブによって減圧チャンバ５０内を吸引する圧力と、吸着ステージ６０の載置面６１における電解質膜２１を吸引する圧力と、がそれぞれ調整される。

また、上述した実施形態では除電部１６０は、保護シートＳを電解質膜２１から剥離する際の帯電を除去した。しかしながら、除電部１６０は、電解質膜２１を吸着ステージ６０から剥離する際の帯電を除去してもよい。

２０ 膜電極接合体、
２１ 電解質膜、
２１Ｓ 電解質膜の表面、
２２，２３ 触媒層
２２Ａ，２３Ａ 触媒層形成用インク、
５０ 減圧チャンバ、
６０ 吸着ステージ、
６１ 載置面、
７０ 塗布部、
８０ 搬送部、
８１Ａ 吸着面、
９０ 吸引部、
９１ 第１吸引部、
９２ 第２吸引部、
１００ 膜電極接合体の製造装置、
１６０ 除電部、
Ｓ 保護シート、
Ｓ０１ 第１載置工程（載置工程）、
Ｓ０２ 第１吸着工程（吸着工程）、
Ｓ０３ 第１塗布工程（塗布工程）、
Ｓ０４ 第１乾燥工程（乾燥工程）、
Ｓ０６ 第２載置工程（載置工程）、
Ｓ０７ 第２吸着工程（吸着工程）、
Ｓ０９ 第２塗布工程（塗布工程）、
Ｓ１０ 第２乾燥工程（乾燥工程）。

Claims (14)

1. 電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造装置であって、
   減圧チャンバと、
   前記減圧チャンバ内に設けられ、載置される前記電解質膜を吸着自在な載置面を備える吸着ステージと、
   前記減圧チャンバ内を吸引して減圧するとともに、前記載置面の反対側の面から前記載置面を吸引して、前記電解質膜を前記載置面に固定させる吸引部と、
   前記吸引部によって前記載置面に固定される前記電解質膜の表面に、前記触媒層形成用インクを塗布する塗布部と、を有し、
   前記吸引部は、前記電解質膜を前記載置面に固定させつつ前記減圧チャンバ内を減圧することによって、前記触媒層形成用インクを乾燥させる膜電極接合体の製造装置。
2. 前記吸引部は、
   前記減圧チャンバ内を吸引して減圧する第１吸引部と、
   前記載置面の反対側の面から前記載置面を吸引して、前記電解質膜を前記載置面に固定させる第２吸引部と、を有する請求項１に記載の膜電極接合体の製造装置。
3. 前記載置面に前記電解質膜を搬送するとともに、前記載置面に載置される前記電解質膜を前記減圧チャンバ外へ搬出する搬送部をさらに有し、
   前記搬送部は、前記第１吸引部が吸引することによって前記電解質膜を吸着する吸着面を有する請求項２に記載の膜電極接合体の製造装置。
4. 前記載置面及び前記吸着面の少なくとも一方は、前記電解質膜の全面を吸着する請求項３に記載の膜電極接合体の製造装置。
5. 前記載置面及び前記吸着面の少なくとも一方には、撥水処理が施される請求項３または４に記載の膜電極接合体の製造装置。
6. 前記吸引部は、メカニカルブースターポンプを有する請求項２〜５のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
7. 前記メカニカルブースターポンプは、少なくとも２段階の圧力調整が可能である請求項６に記載の膜電極接合体の製造装置。
8. 前記第２吸引部は、前記載置面の反対側の面から前記載置面を加圧する加圧手段をさらに有し、
   前記加圧手段は、前記載置面に載置される前記電解質膜を剥離する請求項２〜７のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
9. 前記電解質膜には、一方の面に保護シートが貼り付けられており、
   前記載置面は、前記電解質膜及び前記保護シートの一方を吸着し、前記吸着面は、前記電解質膜及び前記保護シートの他方を吸着した状態で、前記載置面及び前記吸着面を互いに離間することによって、前記保護シートを前記電解質膜から剥離可能に構成される請求項３〜８のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
10. 前記保護シートを前記電解質膜から剥離する際の帯電を除去する除電部をさらに有する請求項９に記載の膜電極接合体の製造装置。
11. 前記塗布部は、スリットダイ方式、スプレー方式、またはインクジェット方式が適用される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
12. 電解質膜に触媒成分を含有する触媒層形成用インクを塗布することによって、前記電解質膜及び触媒層を有する膜電極接合体を製造する製造方法であって、
    減圧チャンバ内に設けられる吸着ステージの載置面に前記電解質膜を載置する載置工程と、
    前記載置面に対して反対側の面から吸引して、前記載置面に載置される前記電解質膜を固定する吸着工程と、
    前記載置面に固定される前記電解質膜の表面に、前記触媒層形成用インクを塗布する塗布工程と、
    前記電解質膜を前記載置面に固定させつつ、前記減圧チャンバ内を吸引して減圧することによって、前記電解質膜上に塗布された前記触媒層形成用インクを乾燥する乾燥工程と、を有する膜電極接合体の製造方法。
13. 前記乾燥工程において、
    前記減圧チャンバ内の圧力は、前記載置面における前記電解質膜を吸引する圧力よりも大きい請求項１２に記載の膜電極接合体の製造方法。
14. 前記乾燥工程において、
    前記減圧チャンバ内の圧力は、５Ｐａ〜４０００Ｐａである請求項１２または１３に記載の膜電極接合体の製造方法。