JP2017060923A - 塗工装置および塗工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗工液を塗工ノズル内で十分に撹拌させることで、粒子の沈殿や液の分離を防止し、塗工膜厚の均一性を向上できる塗工装置および塗工方法を提供する。【解決手段】この塗工装置３０は、粒子を含む塗工液を基材に塗工する装置である。塗工装置３０は、塗工液を吐出する塗工ノズル３１と、塗工ノズル３１に対して基材を相対移動させる移動機構と、塗工ノズル３１に塗工液を供給する供給機構３３と、を有する。また、塗工ノズル３１は、略水平方向に向け開口するスリット状の吐出口３１１と、吐出口３１１に連通し、略水平方向に沿って形成された水平流路３４２と、水平流路３４２と接続され、水平流路３４２よりも下方側に液貯め空間３５１を有する液貯め部３５と、液貯め部３５内に配置され、液貯め部３５内の塗工液を撹拌する撹拌機構３６と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、基材に塗工液を塗工する塗工装置および塗工方法に関する。

従来、リチウムイオン電池や燃料電池などの化学電池の製造においては、金属箔または高分子電解質膜等の基材をロールトゥロール方式にて搬送しつつ、その基材の表面に電極材料の塗工液を吐出して電極層を形成する。このような塗工液は、典型的には帯状の基材を搬送しつつスリット状の吐出口を備えたスリットノズルからその基材表面に液を吐出するスリットコート法によって塗工される。

化学電池用の塗工液は、触媒や活物質を溶媒中に分散させた混合液であるため、液中にてそれら物質の凝集や沈殿が生じやすい。このような凝集や沈殿が生じると塗工液中に異物が含まれることとなり、処理欠陥の原因となるおそれがある。このような、塗工液の凝集や沈殿を防ぐ技術については、例えば、実開平２−１３７９７１号公報（特許文献１）に記載されている。当該公報には、スリットノズルの内部の液貯め空間に羽根車を設け、羽根車を回転させることで塗工液を撹拌させる技術が記載されている。

実開平２−１３７９７１号公報

しかしながら、当該公報に記載の塗工方法では、スリットノズルは、基材に対して垂直に設置されている。このため、スリットノズルの先端部分に、粒子が沈殿し塗工液を十分に撹拌することができない。したがって、スリットノズルの吐出口が目詰まりを起こす虞がある。また、粒子と溶剤が十分に混ざり合わず、溶剤のみが吐出されるなどして、塗工膜厚の均一性が低下する虞がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、塗工液を塗工ノズル内で十分に撹拌させることで、粒子の沈殿や液の分離を防止し、塗工膜厚の均一性を向上できる塗工装置および塗工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、粒子を含む塗工液を基材に塗工する塗工装置であって、塗工液を吐出する塗工ノズルと、前記塗工ノズルに対して前記基材を相対移動させる移動機構と、前記塗工ノズルに前記塗工液を供給する供給機構と、を有し、前記塗工ノズルは、略水平方向に向け開口するスリット状の吐出口と、前記吐出口に連通し、略水平方向に沿って形成された水平流路と、前記水平流路と接続される液貯め部と、前記液貯め部内に配置され、少なくとも前記液貯め部内の前記水平流路よりも下方にある前記塗工液を撹拌する、撹拌機構と、を有する。

本願の第２発明は、第１発明の塗工装置であって、前記撹拌機構は、前記吐出口と平行な回転軸方向に延びる撹拌シャフトと、前記撹拌シャフトに固定された撹拌羽と、を有し、前記撹拌シャフトが回転することで、前記液貯め部内の前記塗工液が撹拌される。

本願の第３発明は、第２発明の塗工装置であって、前記撹拌シャフトは、前記撹拌羽の先端が、前記吐出口側から、前記液貯め部の下側に向かう方向に、前記液貯め部の内周面に沿って回転する。

本願の第４発明は、第２発明または第３発明の塗工装置であって、前記撹拌シャフトを前記回転軸を中心に回転させる撹拌モータをさらに有する。

本願の第５発明は、第２発明または第３発明の塗工装置であって、前記撹拌シャフトは、前記供給機構から前記吐出口へと向かう、前記塗工液の圧力により回転する。

本願の第６発明は、第２発明から第５発明までのいずれか１つの塗工装置であって、前記撹拌羽と、前記撹拌シャフトとは別部材である。

本願の第７発明は、第２発明から第６発明までのいずれか１つの塗工装置であって、前記撹拌羽は、前記回転軸方向に配列された複数の板状部を有する。

本願の第８発明は、第７発明の塗工装置であって、複数の前記板状部の先端は、隣接する前記板状部と互いに間隔を空けて配列される。

本願の第９発明は、第１発明から第８発明までのいずれか１つの塗工装置であって、前記撹拌機構は、前記吐出口から前記塗工液を吐出している間、前記液貯め部内の前記塗工液を撹拌しない。

本願の第１０発明は、粒子を含む塗工液を塗工ノズルにより基材に塗工する塗工方法であって、ａ）前記基材に対して前記塗工ノズルを相対移動させる工程と、ｂ）前記塗工ノズルに前記塗工液を供給する工程と、ｃ）供給された前記塗工液を液貯め部に貯留する工程と、ｄ）前記液貯め部に貯留された前記塗工液を撹拌機構により撹拌する工程と、ｅ）前記塗工ノズルが有する吐出口から前記塗工液を、略水平方向に向けて吐出する工程と、を有する。

本願の第１発明〜第１０発明によれば、撹拌機構によって、液貯め部内の塗工液を撹拌する。これにより、塗工液中の粒子の沈殿や分離を抑えることができる。このため、均一な濃度の塗工液を塗工ノズルから吐出することができ、塗工膜厚の均一性を高めることができる。

特に、本願の第２発明によれば、撹拌シャフトに固定された撹拌羽により、液貯め部内の塗工液を撹拌できる。これにより、塗工液の撹拌効果をより高めることができる。

特に、本願の第３発明によれば、液貯め部内で塗工液を効果的に撹拌できる。

特に、本願の第４発明によれば、撹拌モータの動力により、塗工液を撹拌できる。これにより、塗工液の撹拌効果をより高めることができる。

特に、本願の第５発明によれば、塗工装置の部品数を低減できる。また、塗工液撹拌に伴う消費電力を低減できる。

特に、本願の第６発明によれば、撹拌シャフトと撹拌羽を組み立てることで、撹拌機構を容易に構成することができる。また、長期間に亘る使用により撹拌羽が消耗した場合に、撹拌羽のみを交換することができる。

特に、本願の第８発明によれば、隣接する板状部の間において、溶媒と粒子が混ざりやすくなる。したがって、撹拌羽による塗工液の撹拌効果をより高めることができる。

特に、本願の第９発明によれば、撹拌機構により撹拌された均一な濃度の塗工液を吐出できる。これにより、塗工膜厚の均一性をより高めることができる。

膜・触媒層接合体の製造装置の構成を示した図である。 剥離ローラの付近の拡大図である。 吸着ローラの軸心を含む断面における乾燥炉の概略形状を示した図である。 ラミネートローラの付近の拡大図である 制御部と製造装置内の各部との接続を示したブロック図である。 塗工装置の構成を示した図である。 塗工ノズルの断面図である。 撹拌シャフトおよび撹拌羽の側面図である。 撹拌シャフトおよび撹拌羽の分解図である。 塗工装置による塗工処理の流れを示すフローチャートである。 変形例に係る撹拌シャフトおよび撹拌羽の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

＜１．製造装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る塗工装置３０を備える、膜・触媒層接合体の製造装置１の構成を示した図である。この製造装置１は、帯状の基材である電解質膜の表面に、電極となる触媒層を形成して、固体高分子形燃料電池用の膜・触媒層接合体を製造する装置である。図１に示すように、本実施形態の膜・触媒層接合体の製造装置は、導入剥離部１０、吸着ローラ２０、塗工装置３０、乾燥炉４０、貼付部５０、表面冷却部６０および制御部７０を備えている。

導入剥離部１０は、バックシート９１および電解質膜９２の２層で構成される長尺帯状体９０を、吸着ローラ２０の外周面に導入するとともに、電解質膜９２からバックシート９１を剥離する部位である。

電解質膜９２には、例えば、フッ素系または炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。電解質膜９２の具体例としては、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、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））を挙げることができる。電解質膜９２の膜厚は、例えば、５μｍ〜３０μｍとされる。電解質膜９２は、大気中の湿気によって膨潤する一方、湿度が低くなると収縮する。すなわち、電解質膜９２は、大気中の湿度に応じて変形しやすい性質を有する。

バックシート９１は、電解質膜９２の変形を抑制するためのシートである。バックシート９１の材料には、電解質膜９２よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。バックシート９１の具体例としては、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）のフィルムを挙げることができる。バックシート９１の膜厚は、例えば２５μｍ〜１００μｍとされる。

図１に示すように、導入剥離部１０は、剥離ローラ１１、導入部１２および排出部１３を有する。

剥離ローラ１１は、水平に延びる軸心周りに回転するローラである。剥離ローラ１１は、弾性体により形成された円筒状の外周面を有する。剥離ローラ１１の外周面と、後述する吸着ローラ２０の外周面とは、長尺帯状体９０が通過する隙間を空けて、互いに対向する。また、剥離ローラ１１は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ２０側へ加圧されている。

導入部１２は、膜巻出ローラ１２１および第１検知ローラ１２２を有する。膜巻出ローラ１２１および第１検知ローラ１２２は、いずれも、剥離ローラ１１と平行に配置される。供給前の長尺帯状体９０は、膜巻出ローラ１２１に巻き付けられている。膜巻出ローラ１２１は、図示を省略したモータの動力により回転する。膜巻出ローラ１２１が回転すると、長尺帯状体９０は、膜巻出ローラ１２１から繰り出される。

膜巻出ローラ１２１から繰り出された長尺帯状体９０は、第１検知ローラ１２２の外周面に接触することにより向きを変えて、剥離ローラ１１側へ搬送される。第１検知ローラ１２２は、長尺帯状体９０から受ける荷重をロードセルで計測することにより、導入部１２において長尺帯状体９０にかかる張力を検知する。後述する制御部７０は、第１検知ローラ１２２により検知される長尺帯状体９０の張力が、予め設定された値となるように、第１巻出ローラ１２１の回転数を制御する。

図２は、剥離ローラ１１の付近の拡大図である。図２に示すように、第１検知ローラ１２２を通過した長尺帯状体９０は、剥離ローラ１１と吸着ローラ２０との間の隙間１４へ導入される。このとき、バックシート９１は剥離ローラ１１に接触し、電解質膜９２は吸着ローラ２０に接触する。また、長尺帯状体９０は、剥離ローラ１１から受ける圧力で、吸着ローラ２０の外周面に押し付けられる。そうすると、吸着ローラ２０の後述する負圧によって、吸着ローラ２０の外周面に電解質膜９２が吸着される。

なお、本実施形態では、膜巻出ローラ１２１から繰り出される電解質膜９２の一方の面に、予め触媒材料９ａの層が形成されている。このため、吸着ローラ２０の外周面には、当該触媒材料９ａの層とともに、電解質膜９２が吸着される。触媒材料９ａの層は、製造装置１とは別の塗工装置において、バックシート９１および電解質膜９２の２層で構成される長尺帯状体９０を、そのままロール・ツー・ロール方式で搬送しつつ、電解質膜９２の表面に触媒インクを間欠塗工し、塗工された触媒インクを乾燥させることによって形成される。

排出部１３は、バックシート巻取ローラ１３１および第２検知ローラ１３２を有する。バックシート巻取ローラ１３１および第２検知ローラ１３２は、いずれも、剥離ローラ１１と平行に配置される。隙間１４を通過したバックシート９１は、吸着ローラ２０から離れて、第２検知ローラ１３２の方向へ搬送される。これにより、電解質膜９２からバックシート９１が剥離される。剥離されたバックシート９１は、第２検知ローラ１３２の外周面に接触することにより向きを変えて、バックシート巻取ローラ１３１側へ搬送される。

バックシート巻取ローラ１３１は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、バックシート巻取ローラ１３１にバックシート９１が巻き取られる。第２検知ローラ１３２は、バックシート９１から受ける荷重をロードセルで計測することにより、排出部１３においてバックシート９１にかかる張力を検知する。後述する制御部７０は、第２検知ローラ１３２により検知されるバックシート９１の張力が、予め設定された値となるように、バックシート巻取ローラ１３１の回転数を制御する。

吸着ローラ２０は、電解質膜９２を外周面に吸着保持しつつ回転するローラである。吸着ローラ２０は、剥離ローラ１１よりも径の大きい円筒状の外周面を有する。吸着ローラ２０の直径は、例えば、４００ｍｍ〜１６００ｍｍとされる。吸着ローラ２０は、図示を省略したモータの動力により、水平（すなわち、剥離ローラ１１と平行）に延びる軸心周りに回転する。吸着ローラ２０の回転方向である第１方向と、剥離ローラ１１の回転方向である第２方向とは、互いに反対方向となる。

吸着ローラ２０の材料には、例えば、多孔質カーボンや多孔質セラミックス等の多孔質材料が用いられる。多孔質セラミックスの具体例としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体を挙げることができる。多孔質の吸着ローラ２０における気孔径は、例えば５μｍ以下とされ、気孔率は、例えば１５％〜５０％とされる。また、吸着ローラ２０の外周面は、例えば、Ｒｚ（最大高さ）の値が５μｍ以下の表面粗さに形成される。また、回転時における吸着ローラ２０の全振れ（回転軸から外周面までの距離の変動）は、１０μｍ以下とされる。

吸着ローラ２０の端面には、吸引口２１が設けられている。吸引口２１は、図外の吸引機構（例えば、排気ポンプ）に接続される。吸引機構を動作させると、吸着ローラ２０の吸引口２１に負圧が生じる。そして、吸着ローラ２０内の気孔を介して、吸着ローラ２０の外周面にも、負圧が生じる。例えば、吸引口２１に９０ｋＰａ以上の負圧を発生させることによって、吸着ローラ２０の外周面に１０ｋＰａ以上の負圧を発生させる。電解質膜９２は、当該負圧によって、吸着ローラ２０外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ２０の回転によって円弧状に搬送される。

また、図１中に破線で示すように、吸着ローラ２０の内部には、複数の水冷管２２が設けられている。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冷却水が供給される。製造装置１の動作時には、吸着ローラ２０の熱が、熱媒体である冷却水に吸収される。これにより、吸着ローラ２０が冷却される。熱を吸収した冷却水は、図外の排液機構へ排出される。

塗工装置３０は、吸着ローラ２０により搬送される電解質膜９２の表面に、塗工液を塗工するための機構である。塗工液には、触媒材料（例えば、白金（Ｐｔ））を含む粒子をアルコールなどの溶媒中に分散させた電極ペーストが用いられる。塗工装置３０の構造については、後述する。

なお、塗工液中の触媒材料には、高分子形燃料電池のアノードまたはカソードにおいて燃料電池反応を起こす材料が用いられる。具体的には、白金（Ｐｔ）、白金合金、白金化合物等を、触媒材料として用いることができる。白金合金の例としては、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、カソード用の触媒材料には白金が用いられ、アノード用の触媒材料には白金合金が用いられる。塗工ノズル３１から吐出される塗工液は、カソード用であってもアノード用であってもよい。ただし、電解質膜９２の表裏に形成される触媒材料９ａ，９ｂは、互いに逆極性の触媒材料とする。

乾燥炉４０は、電解質膜９２の表面に塗工された塗工液を乾燥させる部位である。本実施形態の乾燥炉４０は、吸着ローラ２０による電解質膜９２の搬送方向において、塗工装置３０よりも下流側に配置されている。また、乾燥炉４０は、吸着ローラ２０の外周面に沿って、円弧状に設けられている。図１に示すように、乾燥炉４０は、３つの熱風供給部４１〜４３と、２つの熱遮断部４４，４５とを有する。３つの熱風供給部４１〜４３は、吸着ローラ２０の外周面に向けて、加熱された気体（熱風）を吹き付ける。塗工液が塗工された電解質膜９２が熱風供給部４１〜４３を通過すると、当該熱風により塗工液が乾燥して固化する。すなわち、塗工液中の溶媒が気化して、電解質膜９２の表面に触媒材料９ｂの層が形成される。

３つの熱風供給部４１〜４３は、それぞれ、吹き付ける熱風の温度が異なる。３つの熱風供給部４１〜４３から吹き付けられる熱風の温度は、吸着ローラ２０による電解質膜９２の搬送方向の上流側から下流側へ向かうにつれて、順次に高くなる。最も搬送方向上流側の熱風供給部４１から吹き付けられる熱風の温度は、例えば、周囲の環境温度以上かつ４０℃以下とされる。２つ目の熱風供給部４２から吹き付けられる熱風の温度は、例えば、４０℃以上かつ８０℃以下とされる。また、最も搬送方向下流側の熱風供給部４３から吹き付けられる熱風の温度は、例えば、５０℃以上かつ１００℃以下とされる。

このように、本実施形態の乾燥炉４０では、電解質膜９２に吹き付ける熱風の温度を、搬送方向下流側へ向かうにつれて順次に高くする。このようにすれば、電解質膜９２および塗工液の温度を、緩やかに上昇させることができる。したがって、急激な乾燥により触媒材料９ｂにクラック等の損傷が生じることを、抑制できる。

２つの熱遮断部４４，４５は、吸着ローラ２０による電解質膜９２の搬送方向において、３つの熱風供給部４１〜４３の上流側および下流側に設けられている。すなわち、一方の熱遮断部４４は、最も搬送方向上流側の熱風供給部４１よりも搬送方向の上流側に配置され、他方の熱遮断部４５は、最も搬送方向下流側の熱風供給部４３よりも搬送方向の下流側に配置されている。これらの熱遮断部４４，４５は、吸着ローラ２０の外周面近傍の気体を吸引する。これにより、熱風供給部４１〜４３から吹き出された熱風が、熱遮断部４４，４５を超えて搬送方向の上流側および下流側へ流れ出すことを防止する。また、乾燥時に塗工液から生じた溶媒の蒸気が、熱遮断部４４，４５を超えて搬送方向の上流側および下流側へ流れ出すことも防止する。

図３は、吸着ローラ２０の軸心を含む断面における、乾燥炉４０の概略形状を示した図である。図３に示すように、本実施形態の乾燥炉４０は、一対の吸引部４６，４７を有する。吸引部４６，４７は、熱風供給部４１〜４３の両側縁部から吸着ローラ２０側へ向けて、板状に突出する。また、各吸引部４６，４７は、吸着ローラ２０の外周面の両側部に沿って、円弧状に広がる。これらの吸引部４６，４７は、周辺の気体を吸引する。これにより、熱風供給部４１，４３から供給された熱風や、溶媒の蒸気が、吸引部４６，４７を超えて外側へ流れ出すことを防止する。

貼付部５０は、触媒材料９ｂの層が形成された電解質膜９２の表面に、帯状の支持フィルム９３を貼り付ける部位である。貼付部５０は、吸着ローラ２０による電解質膜９２の搬送方向において、乾燥炉４０よりも下流側に配置されている。図１に示すように、貼付部５０は、ラミネートローラ５１、フィルム供給部５２および接合体回収部５３を有する。

図４は、ラミネートローラ５１の付近の拡大図である。ラミネートローラ５１は、水平に延びる軸心周りに回転するローラである。ラミネートローラ５１は、吸着ローラ２０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。ラミネートローラ５１の外周面と、吸着ローラ２０の外周面とは、電解質膜９２および支持フィルム９３が通過する隙間を空けて、互いに対向する。また、ラミネートローラ５１は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ２０側へ加圧されている。

ラミネートローラ５１の材料には、例えば、熱伝導率の高い金属が用いられる。また、ラミネートローラ５１の内部には、通電により発熱するヒータ５１１が設けられている。ヒータ５１１には、例えば、シーズヒータを用いることができる。ヒータ５１１に通電すると、ヒータ５１１から生じる熱によって、ラミネートローラ５１の外周面が、環境温度よりも高い所定の温度に温調される。なお、ラミネートローラ５１の外周面の温度を放射温度計等の温度センサを用いて計測し、その計測結果に基づいて、ラミネートローラ５１の外周面が一定の温度となるように、ヒータ５１１の出力を制御してもよい。

図１に戻る。フィルム供給部５２は、フィルム巻出ローラ５２１および第３検知ローラ５２２を有する。フィルム巻出ローラ５２１および第３検知ローラ５２２は、いずれも、ラミネートローラ５１と平行に配置される。供給前の支持フィルム９３は、フィルム巻出ローラ５２１に巻き付けられている。フィルム巻出ローラ５２１は、図示を省略したモータの動力により回転する。フィルム巻出ローラ５２１が回転すると、支持フィルム９３は、フィルム巻出ローラ５２１から繰り出される。

支持フィルム９３の材料には、電解質膜９２よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。支持フィルム９３の具体例としては、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）のフィルムを挙げることができる。支持フィルム９３は、バックシート９１と同じものであってもよい。また、バックシート巻取ローラ１３１によって巻き取ったバックシート９１を、支持フィルム９３としてフィルム巻出ローラ５２１から繰り出すようにしてもよい。

繰り出された支持フィルム９３は、第３検知ローラ５２２の外周面に接触することにより向きを変えて、ラミネートローラ５１側へ搬送される。第３検知ローラ５２２は、支持フィルム９３から受ける荷重をロードセルで計測することにより、フィルム供給部５２において支持フィルム９３にかかる張力を検知する。後述する制御部７０は、第３検知ローラ５２２により検知される支持フィルム９３の張力が、予め設定された値となるように、フィルム巻出ローラ５２１の回転数を制御する。

第３検知ローラ５２２を通過した支持フィルム９３は、吸着ローラ２０の外周面に吸着保持された電解質膜９２と、ラミネートローラ５１との間へ導入される。このとき、支持フィルム９３は、ラミネートローラ５１からの圧力により電解質膜９２に押し付けられるとともに、ラミネートローラ５１の熱により加熱される。その結果、電解質膜９２の外側の面に、支持フィルム９３が貼り付けられる。電解質膜９２の表面に形成された触媒材料９ｂは、電解質膜９２と支持フィルム９３との間に挟まれる。これにより、電解質膜９２、触媒材料９ａ，９ｂおよび支持フィルム９３で構成される膜・触媒層接合体９４が形成される。

接合体回収部５３は、接合体巻取ローラ５３１および第４検知ローラ５３２を有する。接合体巻取ローラ５３１および第４検知ローラ５３２は、いずれも、ラミネートローラ５１と平行に配置される。吸着ローラ２０とラミネートローラ５１との間を通過した膜・触媒層接合体９４は、吸着ローラ２０から離れて、第４検知ローラ５３２の方向へ搬送される。そして、膜・触媒層接合体９４は、第４検知ローラ５３２の外周面に接触することにより向きを変えて、接合体巻取ローラ５３１側へ搬送される。

接合体巻取ローラ５３１は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、接合体巻取ローラ５３１に膜・触媒層接合体９４が巻き取られる。第４検知ローラ５３２は、膜・触媒層接合体９４から受ける荷重をロードセルで計測することにより、接合体回収部５３において膜・触媒層接合体９４にかかる張力を検知する。後述する制御部７０は、第４検知ローラ５３２により検知される膜・触媒層接合体９４の張力が、予め設定された値となるように、接合体巻取ローラ５３１の回転数を制御する。

表面冷却部６０は、吸着ローラ２０の外周面を冷却するための機構である。表面冷却部６０は、吸着ローラ２０の外周面のうち、貼付部５０と導入剥離部１０との間の電解質膜９２を保持しない領域に対向する位置に配置される。表面冷却部６０は、例えば、吸着ローラ２０の外周面に、環境温度よりも低温（例えば５℃程度）のクリーンドライエアを吹き付ける。乾燥炉４０およびラミネートローラ５１により加熱された吸着ローラ２０は、当該クリーンドライエアを受けることによって冷却される。

このように、本実施形態の製造装置１では、膜巻出ローラ１２１からの長尺帯状体９０の繰り出し、電解質膜９２からのバックシート９１の剥離、電解質膜９２への塗工液の塗工、乾燥炉４０による乾燥、電解質膜９２への支持フィルム９３の貼り付け、の各工程が、順次に実行される。これにより、固体高分子形燃料電池の電極に用いられる膜・触媒層接合体９４が製造される。電解質膜９２は、バックシート９１、吸着ローラ２０、または支持フィルム９３に、常に保持されている。これにより、製造装置１における電解質膜９２の膨潤・収縮等の変形が抑制される。

制御部７０は、製造装置１内の各部を動作制御するための手段である。図５は、制御部７０と、製造装置１内の各部との接続を示したブロック図である。図５中に概念的に示したように、制御部７０は、ＣＰＵ等の演算処理部７１、ＲＡＭ等のメモリ７２およびハードディスクドライブ等の記憶部７３を有するコンピュータにより構成される。記憶部７３内には、印刷処理を実行するためのコンピュータプログラムＰが、インストールされている。

また、図３に示すように、制御部７０は、上述した膜巻出ローラ１２１のモータ、第１検知ローラ１２２のロードセル、バックシート巻取ローラ１３１のモータ、第２検知ローラ１３２のロードセル、吸着ローラ２０のモータ、吸着ローラ２０の吸引機構、吸着ローラ２０の給水機構、３つの熱風供給部４１〜４３、２つの熱遮断部４４，４５、２つの吸引部４６，４７、ヒータ５１１、フィルム巻出ローラ５２１のモータ、第３検知ローラ５２２のロードセル、接合体巻取ローラ５３１のモータ、第４検知ローラ５３２のロードセルおよび表面冷却部６０と、それぞれ通信可能に接続されている。また、制御部７０は、後述する開閉弁３３３、ノズル駆動モータ３２３および撹拌モータ３６３とも、それぞれ通信可能に接続されている。

制御部７０は、記憶部７３に記憶されたコンピュータプログラムＰやデータをメモリ７２に一時的に読み出し、当該コンピュータプログラムＰに基づいて、演算処理部７１が演算処理を行うことにより、上記の各部を動作制御する。これにより、製造装置１における膜・触媒接合体の製造処理が進行する。

＜２．塗工装置の構造について＞
次に、上述した塗工装置３０の構造について説明する。

図６は、塗工装置３０の構造を示す図である。図６に示すように、塗工装置３０は、塗工ノズル３１、接離機構３２および供給機構３３を有する。塗工ノズル３１は、吸着ローラ２０による電解質膜９２の搬送方向において、剥離ローラ１１よりも下流側に設けられている。塗工ノズル３１は、吐出口３１１、水平流路３４、液貯め部３５および撹拌機構３６を有する。吐出口３１１は、吸着ローラ２０の外周面に沿って、水平に延びるスリット状の開口である。なお、塗工ノズル３１のその他の構成については後述する。

本実施形態では、吸着ローラ２０が回転することによって、吸着ローラ２０の外周面に保持された電解質膜９２が、塗工ノズル３１に対して相対移動する。すなわち、本実施形態では、吸着ローラ２０が、塗工ノズル３１に対して基材である電解質膜９２を相対移動させる移動機構として機能し、塗工装置３０の一部を構成する。

供給機構３３は、供給配管３３１、塗工液供給源３３２および開閉弁３３３により構成される。塗工ノズル３１は、供給配管３３１を介して、塗工液供給源３３２と流路接続されている。また、供給配管３３１の経路上には、開閉弁３３３が介挿されている。このため、開閉弁３３３を開放すると、塗工液供給源３３２から、供給配管３３１を通って塗工ノズル３１に、塗工液が供給される。そして、塗工ノズル３１の吐出口３１１から電解質膜９２へ向けて、塗工液が吐出される。その結果、吸着ローラ２０に保持された電解質膜９２の外側の面に、塗工液が塗工されて、触媒材料の層９ｂが形成される。

本実施形態では、開閉弁３３３を一定の周期で開閉することによって、塗工ノズル３１の吐出口３１１から、塗工液を断続的に吐出する。これにより、電解質膜９２の表面に、塗工液を搬送方向に一定の間隔で間欠塗工する。ただし、開閉弁３３３を連続的に開放して、電解質膜９２の表面に、搬送方向に切れ目無く塗工液を塗工してもよい。

接離機構３２は、塗工ノズル３１を電解質膜９２に対して接近および離間させる機構である。図６に示すように、接離機構３２は、ベースフレーム３２１、ボールネジ３２２、ノズル駆動モータ３２３、ガイドレール３２４および基台３２５を有する。塗工ノズル３１は、吐出口３１１から塗工液を略水平方向に吐出する姿勢で、ベースフレーム３２１に取り付けられる。ベースフレーム３２１は、ノズル駆動モータ３２３によって回転するボールネジ３２２に螺合される。また、ベースフレーム３２１は、基台３２５上に設置されたガイドレール３２４に対して移動自在に取り付けられる。ノズル駆動モータ３２３が、ボールネジ３２２を正方向または逆方向に回転させることで、ベースフレーム３２１がガイドレール３２４に沿って移動する。これにより、塗工ノズル３１は電解質膜９２に対して近接または離間するように進退移動する。なお、接離機構３２は、電解質膜９２に対する姿勢を調整する機構をさらに有していてもよい。

塗工ノズル３１が、接離機構３２により電解質膜９２側へ前進すると、吐出口３１１が電解質膜９２に近接する。この状態で、吐出口３１１から塗工液が吐出されることで、電解質膜９２に対して塗工液の塗工処理が施される。また、塗工ノズル３１をメンテナンスするときは、塗工ノズル３１を電解質膜９２に対して後退させる。これにより、広い空間を利用してメンテナンスを行うことができ、作業性を向上させることができる。

＜３．塗工ノズルの構造について＞
次に塗工ノズル３１の構造について説明する。

図７は、図６における塗工ノズル３１のＡ−Ａ断面図である。上述したように、塗工ノズル３１は、吐出口３１１、水平流路３４、液貯め部３５および撹拌機構３６を有する。塗工ノズル３１内に供給された塗工液は、水平に設けられた水平流路３４に沿って送液される。水平流路３４は、図６に示すように、供給機構３３と液貯め部３５とを連通する第１水平流路３４１と、液貯め部３５と吐出口３１１とを連通する第２水平流路３４２から構成される。供給機構３３から送られた塗工液は、先ず、第１水平流路３４１を通り、流入口３１２から液貯め部３５へと送られる。そして、液貯め部３５内に塗工液が満たされる。

液貯め部３５は、水平流路３４よりも下方側に位置する液貯め空間３５１と、水平流路３４よりも上方側に位置するエア抜き空間３５２とにより構成される。液貯め部３５内には、塗工液を撹拌する撹拌機構３６が備えられる。そして、少なくとも液貯め空間３５１内に貯留された塗工液は、撹拌機構３６により撹拌される。これにより、塗工液中の粒子の沈殿が抑えられ、塗工液の濃度の均一性が保持される。また、液貯め空間３５１には、供給機構３３へと通じる循環流路３５３が設けられる。液貯め部３５に貯留された塗工液の一部は、供給機構３３と循環流路３５３により循環される。これにより、液貯め空間３５１内には塗工液が循環供給される。したがって、塗工ノズル３１内での、塗工液の滞留が防止され、蒸発による塗工液の濃度変化を抑えることができる。

また、図６および図７に示すように、本実施形態では撹拌機構３６は、吐出口３１１と平行な回転軸Ｊ１方向に延びる撹拌シャフト３６１と、撹拌シャフト３６１に固定された撹拌羽３６２を有する。撹拌羽３６２は、樹脂材料あるいは金属材料等により構成される。撹拌シャフト３６１が回転軸Ｊ１を中心に回転することで、撹拌羽３６２が液貯め部３５内で回転する。これにより、少なくとも液貯め空間３５１内の塗工液が撹拌される。なお、撹拌羽３６２の先端は、吐出口３１１側から、液貯め部３５の下側に向かう方向に（図６において時計回りに）、液貯め部３５の内周面に沿って回転することが好ましい。これにより、液貯め部３５に沈殿した塗工液中の粒子が、流入口３１２側に巻き上げられる。すなわち、沈殿した粒子が、直接吐出口３１１へと送られることが抑制される。また、流入口３１２側へと巻き上げられた粒子と、流入口３１２から送られた塗工液が混ざり合い、塗工液の濃度の均一性を高めることができる。

なお、液貯め空間３５１の内壁面は、下側に向けて凹み、かつ略円弧状に湾曲する。また、図６に示すように、液貯め空間３５１の内壁面と第２水平流路３４２との境界は、エア抜き空間３５２の内壁面と第２水平流路３４２との境界より、吐出口側に位置する。そして、液貯め空間３５１内部の撹拌シャフト３６１は、流入口３１２に近い位置に配置される。このようにすれば、質量の大きい塗工液中の凝集した粒子が、撹拌羽３６２によってエア抜き空間３５２へ巻き上げられたとしても、その粒子が第２水平流路３４２へと送られることなく、再び液貯め空間３５１に沈殿しやすくなる。このため、凝集した粒子が、吐出口３１１へと送られることが抑制される。

また、図７に示すように、本実施形態では塗工ノズル３１は、撹拌シャフト３６１を回転させる撹拌モータ３６３をさらに有する。撹拌モータ３６３を駆動させると、カップリング３６５により連結された回転シャフト３６４が、回転軸Ｊ１を中心に回転する。撹拌シャフト３６１は、回転シャフト３６４と連結される。このため、撹拌モータ３６３を駆動させると、回転シャフト３６４と連動して、撹拌シャフト３６１が回転軸Ｊ１を中心に回転する。このようにすれば、撹拌モータ３６３の駆動力により、塗工液を撹拌することができ、塗工液をより効果的に撹拌できる。

図８は、撹拌シャフト３６１および撹拌羽３６２の側面図である。図９は、撹拌シャフト３６１および撹拌羽３６２の分解図である。本実施形態では、図９に示すように、撹拌シャフト３６１と撹拌羽３６２は別部材である。撹拌羽３６２は、複数の板状の部材（以下、「板状部８１」と称する）が、回転軸Ｊ１方向に撹拌シャフト３６１に固定されることで構成される。このため、長期間に亘る使用により、撹拌羽３６２が消耗した場合であっても、撹拌シャフト３６１を交換することなく、撹拌羽３６２のみを容易に交換することができる。また、撹拌シャフト３６１を共通部品とし、塗工液の種類に応じて異なる形状の撹拌羽３６２を使用することができる。

また、図９に示すように、各板状部８１には、軸方向に延びる貫通孔３６６および溝部３６７が設けられる。各板状部８１は、貫通孔３６６に撹拌シャフト３６１が挿入されることで、撹拌シャフト３６１に固定される。また、隣接する板状部８１は、互いに溝部３６７に嵌め込まれることで連結される。これにより、各板状部８１の周方向の移動が制限される。また、図８および図９に示すように、複数の板状部８１は、各々の先端部が、隣接する板状部８１と互いに間隔を空けて配列される。また、本実施形態では、隣接する板状部８１は、軸方向に見たときに互いに直交するように、回転軸Ｊ１方向に配列される。こうすることで、撹拌羽３６２の回転により、隣接する板状部８１の間において溶媒と粒子が混ざりやすくなり、撹拌機構３６による撹拌効果をより高めることができる。なお、撹拌シャフト３６１と、撹拌羽３６２とは同一部材により形成されてもよい。

図１０は、塗工装置３０による塗工処理の流れを示すフローチャートである。塗工処理を始めるときは、先ず、制御部７０は、ノズル駆動モータ３２３を制御して、塗工ノズル３１を電解質膜９２へと近接させる（Ｓ１）。そして、電解質膜９２の搬送を開始する（Ｓ２）。次に、制御部７０は開閉弁３３３を開放し、供給機構３３により、塗工液を塗工ノズル３１へと供給する（Ｓ３）。供給された塗工液は、第１水平流路３４１を通り、液貯め部３５に貯留される（Ｓ４）。制御部７０は、撹拌モータ３６３を制御して、撹拌シャフト３６１を回転させる（Ｓ５）。これにより、液貯め部３５に貯留された塗工液が撹拌される。その後、塗工液は、第２水平流路３４２を通り、吐出口３１１へと到達する。そして、塗工液が吐出口３１１から水平方向に吐出される（Ｓ６）。これにより、電解質膜９２の表面に塗工液が塗工される。

なお、塗工装置３０の動作時には、Ｓ３〜Ｓ６の処理が、それぞれ連続的または断続的に行われる。したがって、実際には、順次に供給される塗工液に対して、Ｓ３〜Ｓ６の各処理が、互いに並行して実行される。

なお、塗工液を液貯め部３５に貯留する工程Ｓ４の前に、予め撹拌シャフト３６１を回転させておいてもよい。また、開閉弁３３３を開放している間、撹拌シャフト３６１の回転を停止させ、開閉弁３３３を閉鎖している間、撹拌シャフト３６１を回転させてもよい。これにより、液貯め部３５内で十分に撹拌された塗工液を吐出口３１１から吐出することができ、かつ、撹拌シャフト３６１の回転により吐出口３１１からの塗工液の吐出量が変化することを防止できる。したがって、塗工膜厚の均一性をより向上させることができる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記の実施形態では、撹拌モータの駆動力により、撹拌シャフトを回転させていた。しかしながら、撹拌シャフトはモータ以外の駆動力を利用して回転させるものであってもよい。例えば、供給機構から供給された塗工液の圧力を撹拌羽に作用させて、撹拌シャフトを回転させてもよい。こうすることで、塗工ノズルの部品数を低減でき、製造コストを削減できる。また、塗工処理における消費電力を低減できる。

また、上記の実施形態では、撹拌羽は、隣接する８１が、軸方向に見たときに互いに直交するように、回転軸Ｊ１方向に配列されることで構成されていた。しかしながら、本発明の撹拌羽の形状は、これに限られない。図１１は、変形例に係る撹拌シャフト３６１Ａおよび撹拌羽３６２Ａの側面図である。撹拌羽３６２Ａは、複数の板状部８１Ａからなり、各板状部８１Ａの内端部が撹拌シャフト３６１Ａに連結される。そして、隣接する板状部８１Ａは、軸方向に見たときに互いに略平行となるように、回転軸Ｊ１Ａ方向に配列される。また、各板状部の外端部は、回転軸Ｊ１Ａ方向に互いに間隔を空けて配列される。撹拌羽は、このような形状であっても、塗工液を撹拌できる。これにより、塗工液中の粒子の沈殿や分離を抑えることができる。

また、上記実施形態では、塗工装置および塗工方法は、化学電池の製造工程に用いられるものについて示していた。しかしながら、本発明の塗工装置および塗工方法は、太陽電池や有機ＥＬなど、他の精密電子機器の製造工程に用いられるものであってもよい。

また、上記実施形態では、塗工装置および塗工方法は、シート状の基材に対する塗工処理に用いられるものであった。しかしながら、本発明の塗工装置および塗工方法は、ガラス基板、半導体基板、金属基板等、シート状以外の基材の塗工処理に用いられるものであってもよい。

また、塗工装置の細部の形状については、本願の各図と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、塗工装置および塗工方法に利用できる。

１ 製造装置
３０ 塗工装置
３１ 塗工ノズル
３２ 接離機構
３３ 供給機構
３４ 水平流路
３５ 液貯め部
３６ 撹拌機構
９０ 長尺帯状体
９１ バックシート
９２ 電解質膜
３１１ 吐出口
３４１ 第１水平流路
３４２ 第２水平流路
３５１ 液貯め空間
３６１ 撹拌シャフト
３６２ 撹拌羽
３６３ 撹拌モータ

Claims (10)

1. 粒子を含む塗工液を基材に塗工する塗工装置であって、
   塗工液を吐出する塗工ノズルと、
   前記塗工ノズルに対して前記基材を相対移動させる移動機構と、
   前記塗工ノズルに前記塗工液を供給する供給機構と、
   を有し、
   前記塗工ノズルは、
   略水平方向に向け開口するスリット状の吐出口と、
   前記吐出口に連通し、略水平方向に沿って形成された水平流路と、
   前記水平流路と接続される液貯め部と、
   前記液貯め部内に配置され、少なくとも前記液貯め部内の前記水平流路よりも下方にある前記塗工液を撹拌する、撹拌機構と、
   を有する塗工装置。
2. 請求項１に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌機構は、
   前記吐出口と平行な回転軸方向に延びる撹拌シャフトと、
   前記撹拌シャフトに固定された撹拌羽と、
   を有し、
   前記撹拌シャフトが回転することで、前記液貯め部内の前記塗工液が撹拌される塗工装置。
3. 請求項２に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌羽の先端が、前記吐出口側から、前記液貯め部の下側に向かう方向に、前記液貯め部の内周面に沿って回転する塗工装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の塗工装置であって、
   前記塗工ノズルは、記撹拌シャフトを前記回転軸を中心に回転させる撹拌モータをさらに有する塗工装置。
5. 請求項２または請求項３に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌シャフトは、前記供給機構から前記吐出口へと向かう、前記塗工液の圧力により回転する塗工装置。
6. 請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌羽と、前記撹拌シャフトとは別部材である塗工装置。
7. 請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌羽は、前記回転軸方向に配列された複数の板状部を有する塗工装置。
8. 請求項７に記載の塗工装置であって、
   複数の前記板状部の先端は、隣接する前記板状部と互いに間隔を空けて配列される塗工装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の塗工装置であって、
   前記撹拌機構は、前記吐出口から前記塗工液を吐出している間、前記液貯め部内の前記塗工液を撹拌しない塗工装置。
10. 粒子を含む塗工液を塗工ノズルにより基材に塗工する塗工方法であって、
    ａ）前記基材に対して前記塗工ノズルを相対移動させる工程と、
    ｂ）前記塗工ノズルに前記塗工液を供給する工程と、
    ｃ）供給された前記塗工液を液貯め部に貯留する工程と、
    ｄ）前記液貯め部に貯留された前記塗工液を撹拌機構により撹拌する工程と、
    ｅ）前記塗工ノズルが有する吐出口から前記塗工液を、略水平方向に向けて吐出する工程と、
    を有する塗工方法。

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