JP2017062983A - 膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着ローラの異物を除去し、吸着ローラから電解質膜への異物の転着を防止できる膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法を提供する。
【解決手段】この膜・触媒層接合体の製造装置１は、電解質膜９２の表面に触媒材料９ｂの層を形成する装置である。製造装置１は、長尺体状の電解質膜９２を、その外周面の一部で吸着保持するとともに、その軸心周りに回転する吸着ローラ２０と、吸着ローラ２０に吸着保持されつつ移動する電解質膜９２の表面に、触媒材料を供給する材料供給部３０と、吸着ローラ２０の周囲の電解質膜９２が存在しない位置において、吸着ローラ２０の外周面に付着した異物を除去する異物除去部７０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の表面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法に関する。

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がロール・ツー・ロール方式にて搬送される。そして、その基材の表面および裏面の両面に電極材料の塗工液を吐出して電極層を形成することで、化学電池のセルに使用される膜・触媒層接合体が製造される。このような、膜・触媒層接合体の製造技術については、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の複合膜の製造装置は、外周面にて薄膜を吸着して支持する吸着ローラと、吸着ローラに吸着支持されて搬送される薄膜の一方面に塗工液を塗工する塗工手段と、吸着ローラの外周面の一部を覆うように設けられ、薄膜の一方面に塗工された塗工液を乾燥させて機能層を形成する乾燥手段と、機能層が形成された薄膜の他方面に帯状の第１支持部材を貼り合わせる貼付手段とを備える。

特開２０１４−２２９３７０号公報

この種の製造装置の吸着ローラは、基材を吸着するための吸着機構を有する。このため、吸着ローラの外周面には、異物が付着しやすい。そして、当該異物は、電解質膜を吸着ローラで吸着支持するときに、電解質膜へと転着する虞がある。このため、電解質膜に転着した異物によって、膜・触媒層接合体の品質が低下しないように、吸着ローラの清掃を頻繁に行う必要があった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、吸着ローラの異物を効果的に除去し、高品質な膜・触媒層接合体を製造する技術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、電解質膜の表面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造装置であって、長尺体状の電解質膜を、その外周面の一部で吸着保持するとともに、その軸心周りに回転する吸着ローラと、前記吸着ローラに吸着保持されつつ移動する電解質膜の表面に、触媒材料を供給する材料供給部と、前記吸着ローラの周囲の前記電解質膜が存在しない位置において、前記吸着ローラの外周面に付着した異物を除去する異物除去部と、を有する。

本願の第２発明は、第１発明の製造装置であって、前記異物除去部は、外周面が粘着質の材料からなる一つ以上の粘着ローラを有し、前記粘着ローラは、前記吸着ローラと接触しつつ回転する。

本願の第３発明は、第１発明または第２発明の製造装置であって、前記異物除去部は、前記吸着ローラの外周面の一部を覆い、内部の気体を吸引して外部に排気する排気口を有する排気ケース部と、前記吸着ローラに向けて気体を噴出する、一つ以上の噴出ノズルと、を有し、前記排気ケース部は、前記噴出ノズルを内部に収容する。

本願の第４発明は、第３発明の製造装置であって、前記異物除去部は、前記吸着ローラと接触しつつ回転するブラシローラをさらに有する。

本願の第５発明は、第４発明の製造装置であって、前記ブラシローラを能動回転させる回転駆動部をさらに有する。

本願の第６発明は、第４発明または第５発明の製造装置であって、前記ブラシローラは、前記排気ケース部の内部に収容される。

本願の第７発明は、第３発明から第６発明までのいずれか１つの製造装置であって、前記噴出ノズルは、前記吸着ローラに向けて環境温度よりも低温の気体を噴出する。

本願の第８発明は、第２発明の製造装置であって、前記粘着ローラは、ゴム製である。

本願の第９発明は、第２発明または第８発明の製造装置であって、前記異物除去部は、前記粘着ローラを前記吸着ローラに対して、接触または隔離する方向に移動させる移動機構をさらに有する。

本願の第１０発明は、第９発明の製造装置であって、前記移動機構は、前記粘着ローラを前記吸着ローラに対して押圧する。

本願の第１１発明は、第１発明から第１０発明までのいずれか１つの製造装置であって、前記材料供給部は、スリット状の吐出口を有し、前記吐出口から前記電解質膜に向けて触媒材料を吐出する。

本願の第１２発明は、電解質膜の表面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造方法であって、ａ）長尺体状の電解質膜を、軸心周りに回転する吸着ローラの外周面の一部で吸着保持する工程と、ｂ）前記吸着ローラに吸着保持されつつ移動する電解質膜の表面に、触媒材料を供給する工程と、ｃ）前記吸着ローラの周囲の前記電解質膜が存在しない位置に配置された異物除去部により、前記吸着ローラの外周面に付着した異物を除去する工程と、を有する。

本願の第１３発明は、第１２発明の製造方法であって、前記異物除去部は、外周面が粘着質の材料からなる一つ以上の粘着ローラを有し、前記工程ｃ）では、前記粘着ローラは、前記吸着ローラと接触しつつ回転することで異物を除去する。

本願の第１４発明は、第１２発明または第１３発明の製造方法であって、前記異物除去部は、前記吸着ローラの外周面の一部を覆い、内部の気体を吸引して外部に排気する排気口を有する排気ケース部と、前記排気ケース部に収容される、一つ以上の噴出ノズルと、を有し、前記工程ｃ）は、ｄ）前記吸着ローラに向けて前記噴出ノズルにより気体を噴出する工程と、ｅ）前記排気口により、前記排気ケース部の内部の気体を排気する工程と、を有する。

本願の第１５発明は、第１４発明の製造方法であって、前記異物除去部は、前記排気ケース部に収容されるブラシローラをさらに有し、前記工程ｃ）は、ｆ）前記ブラシローラが、前記吸着ローラと接触しつつ回転する工程をさらに有する。

本願の第１６発明は、第１４発明または第１５発明に製造方法であって、前記工程ｄ）では、環境温度よりも低温の気体を前記吸着ローラに向けて噴出する。

本願の第１発明〜第１６発明によれば、吸着ローラに付着した異物は異物除去部によって除去される。これにより、吸着ローラから電解質膜に転着する異物を低減できる。また、製造装置が稼動している間も、異物除去部によって吸着ローラに付着した異物が除去され続ける。このため、吸着ローラの清掃作業等のメンテナンスの頻度を低減できる。したがって、製造装置の稼働率を向上できる。

特に、本願の第２発明または第１３発明によれば、吸着ローラの外周面に付着した異物が粘着ローラに付着する。これにより、吸着ローラの外周面に付着した異物を除去することができる。また、異物除去部を簡易な構成とすることができる。

特に、本願の第３発明または第１４発明によれば、吸着ローラの外周面の一部および排気ケース部によって略閉空間が構成される。噴出ノズルから吸着ローラの外周面への気体の噴出は、略閉空間内で行われる。そして、略閉空間の内部の気体は、排気口に吸引される。これにより、吸着ローラの外周面に付着した異物が吹き飛ばされ、気体とともに排気口に吸引される。したがって、吸着ローラに付着した異物をより除去できる。また、吸着ローラから吹き飛ばされた異物が飛散することを防止できる。

特に、本願の第４発明または第１５発明によれば、吸着ローラの外周面に付着した異物は、ブラシローラのブラシによって掻き取られる。したがって、吸着ローラのが外周面に付着した異物をより低減できる。

特に、本願の第５発明によれば、ブラシローラによる異物の除去効果を向上できる。

特に、本願の第６発明によれば、ブラシローラによって掻き取られた異物は、排気ケース部の内部で気体とともに排気口に吸引される。したがって、ブラシローラによって掻き取られた異物が飛散することを防止できる。

特に、本願の第７発明または第１６発明によれば、噴出ノズルから噴出される気体を利用して、吸着ローラの外周面を冷却できる。

特に、本願の第８発明によれば、粘着ローラの粘着力が低下しにくくなり、粘着ローラの交換頻度を低減することができる。

特に、本願の第９発明によれば、粘着ローラの吸着ローラに対する位置を調整できる。したがって、粘着ローラによって効果的に異物を除去できる。

特に、本願の第１０発明によれば、粘着ローラの吸着ローラに対する接触面積が大きくなる。これにより、粘着ローラによって異物がより除去されやすくなる。

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。 異物除去部の構成を示した図である。 噴出ノズルに接続される配管系の構成を示した図である。 ブラシローラ付近の断面図である。

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、長尺帯状の薄膜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１は、導入剥離部１０、吸着ローラ２０、材料供給部３０、乾燥炉４０、貼付部５０、表面冷却部６０、異物除去部７０および制御部８０を備えている。

導入剥離部１０は、基材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から基材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。

基材９１は、電解質膜９２の変形を抑制するためのバックシートである。基材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。基材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。基材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８０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、膜巻出ローラ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、基材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、基材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、基材巻取ローラ１３１および第２検知ローラ１３２を有する。基材巻取ローラ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を通過した基材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から基材９１が剥離される。剥離された基材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、基材巻取ローラ１３１側へ搬送される。

基材巻取ローラ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、基材巻取ローラ１３１に基材９１が巻き取られる。第２検知ローラ１３２は、基材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において基材９１にかかる張力を検知する。後述する制御部８０は、第２検知ローラ１３２により検知される基材９１の張力が、予め設定された値となるように、基材巻取ローラ１３１の回転数を制御する。

吸着ローラ２０は、電解質膜９２を外周面の一部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。

材料供給部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、触媒インクを塗工するための機構である。触媒インクには、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。図１に示すように、材料供給部３０は、塗工ノズル３１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、吸着ローラ２０の外周面に対向する吐出口３１１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。

塗工ノズル３１は、供給配管３２を介して、触媒インク供給源３３と流路接続されている。また、供給配管３２の経路上には、開閉弁３４が介挿されている。このため、開閉弁３４を開放すると、触媒インク供給源３３から、供給配管３２を通って塗工ノズル３１に、触媒インクが供給される。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、触媒インクが吐出される。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、触媒インクが塗工される。

本実施形態では、開閉弁３４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、触媒インクを断続的に吐出する。これにより、電解質膜９２の表面に、触媒インクを搬送方向に一定の間隔で間欠塗工する。ただし、開閉弁３４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触媒インクを塗工してもよい。

なお、触媒インク中の触媒材料には、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には、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触媒インク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、材料供給部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。触媒インク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、当該熱風により触媒インクが乾燥して固化する。すなわち、触媒インク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および触媒インクの温度を、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、乾燥時に触媒インク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、基材９１と同じものであってもよい。また、基材巻取ローラ１３１によって巻き取った基材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、支持フィルム供給部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８０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８０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と剥離部１０との間の電解質膜９２を保持しない領域２０ａ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度程度）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からの基材９１の剥離、電解質膜９２への触媒インクの塗工、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、基材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８０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８０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８０は、ＣＰＵ等の演算処理部８１、ＲＡＭ等のメモリ８２およびハードディスクドライブ等の記憶部８３を有するコンピュータにより構成される。記憶部８３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８０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、基材巻取ローラ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８０は、後述する排気機構７２５、開閉弁７３２、モータ７４３およびエアシリンダ７５とも、それぞれ通信可能に接続されている。

制御部８０は、記憶部８３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８２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８１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・触媒層接合体の製造処理が進行する。

＜２．異物除去部の構成について＞
次に、異物除去部７０の構成について説明する。

図６は、異物除去部７０の構成を示す図である。吸着ローラ２０の外周面には、雰囲気中の塵埃等の異物が付着しやすい。また、吸着ローラ２０の外周面には、基材９１に付着した異物が転着しやすい。異物除去部７０は、吸着ローラ２０の外周面に付着した、このような異物を除去するための機構である。異物除去部７０は、吸着ローラ２０の外周面のうち、貼付部５０と剥離部１０との間の電解質膜９２を保持しない領域２０ａに対向する位置に配置される。図６に示すように、本実施形態の異物除去部７０は、粘着ローラ７１、排気ケース部７２、一つ以上の噴出ノズル７３およびブラシローラ７４を有する。

粘着ローラ７１は、吸着ローラ２０の外周部に付着した異物を除去するためのローラである。粘着ローラ７１は、吸着ローラ２０と接触しつつ回転する。粘着ローラ７１の少なくとも外周面は、粘着質の材料からなる。このため、吸着ローラ２０に粘着ローラ７１が接触すると、吸着ローラ２０の外周面２０ｆに付着した異物は、吸着ローラ２０から離れて粘着ローラ７１に付着する。これにより、吸着ローラ２０の外周面２０ｆに付着した異物を効果的に除去することができる。また、粘着ローラ７１には、モータ等の回転駆動源や配管などを設ける必要がない。したがって、簡易な構成で、異物を除去することができる。なお、粘着ローラ７１はゴム製であることが好ましい。これにより、粘着ローラ７１の粘着力が低下しにくくなり、粘着ローラ７１の交換頻度を低減することができる。

排気ケース部７２は、吸着ローラ２０の外周面へ向けて開いた筐体である。排気ケース部７２は、電解質膜９２が吸着保持されていない吸着ローラ２０の外周面の一部を覆う。これにより、排気ケース部７２は、吸着ローラ２０との間に、僅かな間隔を空けて略閉空間７２３を構成する。排気ケース部７２は、排気口７２１と仕切板７２２とを有する。排気口７２１は、配管を介して排気機構７２５と接続されている。排気機構７２５は、例えば、ポンプ、ファン、またはブロワにより構成される。排気機構７２５を起動させると、排気口７２１に負圧が生じる。これにより、略閉空間７２３の内部の気体が、排気口７２１に吸引され外部へと排気される。なお、排気機構７２５は、工場の用力設備等を利用するものであってもよい。すなわち、排気機構７２５は、製造装置１の一部でなくてもよい。

一つ以上の噴出ノズル７３は、それぞれ、排気ケース内部に収容される。図７は、噴出ノズル７３に接続される配管系の構成を示した図である。図７に示すように、噴出ノズル７３は、気体を供給する気体供給源７３１と配管および開閉弁７３２を介して接続されている。開閉弁７３２を開放させると、噴出ノズル７３に外気圧よりも高圧の気体が供給され、噴出ノズル７３から吸着ローラ２０に向けて、気体が噴出される。なお、図６では、４つの噴出ノズル７３を図示しているが、噴出ノズル７３の数は、１〜３つであってもよく、５つ以上であってもよい。噴出ノズル７３から噴出される気体には、例えば、クリーンドライエアや窒素ガス等が使用される。なお、気体供給源７３１は、工場の用力設備等を利用するものであってもよい。すなわち、気体供給源７３１は、製造装置１の一部でなくてもよい。

噴出ノズル７３から吸着ローラ２０の外周面への気体の噴出は、略閉空間７２３内で行われる。そして、略閉空間７２３の内部の気体は、排気口７２１から吸引され外部へと排気される。これにより、吸着ローラ２０の外周面に付着した異物は吹き飛ばされ、気体とともに排気口７２１に吸引される。したがって、吸着ローラ２０に付着した異物をより効果的に除去できる。また、吸着ローラ２０から吹き飛ばされた異物が飛散することを防止できる。このため、取り除かれた異物が、吸着ローラ２０の外周面に再付着することを防止できる。

噴出ノズル７３は、吸着ローラ２０の外周面に向けて、環境温度よりも低温の気体を噴出する。このため、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の外周面は、噴出ノズル７３から噴出される気体によって、冷却される。このように、噴出ノズル７３は、吸着ローラ２０の外周面を冷却する冷却機能も有する。

特に、本実施形態の噴出ノズル７３から噴出される気体は、露点以下（例えば１０度以下）の温度である。これにより、吸着ローラ２０の外周面は冷却され、周囲の気体の結露による微小な水滴が発生する。そうすると、吸着ローラ２０の外周面に付着した近接する複数の異物が、水滴を介して凝集する。凝集した異物は、重量が大きくなり、吸着ローラ２０から剥離しやすくなる。したがって、異物除去部７０によって、異物がより除去されやすくなる。なお、噴出ノズル７３から噴出される気体の温度は０度以下であることがより好ましい。この結果、結露がより発生しやすくなり、異物除去部７０によって異物をより除去することができる。また、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をより冷却することができる。異物除去部７０によって、吸着ローラ２０を十分に冷却できれば、表面冷却部６０を省略してもよい。

仕切板７２２は、複数の開口７２４を有し、排気ケース内部に配置される板状の部材である。略閉空間７２３の内部の気体は、複数の開口７２４を通り、排気口７２１に吸引される。これにより、小さい圧力で略閉空間７２３内部の気体を排気できる。また、開口７２４の位置を仕切板７２２に適宜配置することで、略閉空間７２３内部の任意の場所の気体を、集中的に吸引できる。特に、排気ケース部７２の端部と、吸着ローラ２０との間は僅かな間隔が開いている。そこで、排気ケース部７２の端部付近に開口７２４を配置することで、略閉空間７２３内部の気体が外部へと漏れることを抑えられる。したがって、噴出ノズル７３により吹き飛ばされた異物が、外部へと飛散することをより抑えられる。

ブラシローラ７４は、吸着ローラ２０の外周部に付着した異物を除去する円筒状の部材である。図８は、ブラシローラ７４付近の断面図である。ブラシローラ７４は、シャフト７４１にブラシ７４２が巻き付けられることで構成される。ブラシ７４２には、例えば、ナイロン製の複数の毛を有するナイロンブラシが使用される。ブラシ７４２の先端は、吸着ローラ２０の外周面と接触する。吸着ローラ２０の外周面に付着した異物は、ブラシ７４２によって掻き取られる。これにより、吸着ローラ２０の外周面に付着した異物をより低減できる。

また、ブラシローラ７４は、排気ケース部７２の内部に収容される。これにより、ブラシローラによって掻き取られた異物は、略閉空間７２３の内部で気体とともに排気口７２１に吸引される。したがって、ブラシローラ７４によって掻き取られた異物が飛散することを防止できる。なお、図８に示すように、本実施形態では、ブラシローラ７４のシャフト７４１に、回転駆動部としてのモータ７４３が接続されている。モータ７４３を駆動させると、ブラシローラ７４が能動的に回転する。ブラシローラ７４は、吸着ローラ２０の回転方向と同方向（図６において時計回り）に回転させることが好ましい。そうすれば、吸着ローラ２０とブラシローラ７４との接触部において、吸着ローラ２０の外周面とブラシ７４２とが、互いに反対方向に移動する。これにより、ブラシローラ７４による異物の除去効果をより向上できる。

また、本実施形態では、異物除去部７０は、移動機構であるエアシリンダ７５をさらに有する。エアシリンダ７５は、粘着ローラ７１を吸着ローラ２０に対して、近接または隔離する方向に移動させる。図６の例では、吸着ローラ２０の異物を除去する場合、制御部８０はエアシリンダ７５を上昇させる。そして、粘着ローラ７１を吸着ローラ２０に接触させる。このように、エアシリンダ７５によって、粘着ローラ７１の吸着ローラ２０に対する位置を調整できる。また、粘着ローラ７１を交換するときは、制御部８０は、エアシリンダ７５を下降させて、粘着ローラ７１を吸着ローラ２０から隔離させる。このようにすれば、広いスペースを利用して、粘着ローラ７１の交換作業を行うことができるため、メンテナンスの作業性が向上する。

また、エアシリンダ７５は、さらに上昇することで、粘着ローラ７１を吸着ローラ２０に対して当接させつつ押圧する。そうすると、粘着ローラ７１の外周面は、吸着ローラ２０の外周面に沿って変形する。したがって、粘着ローラ７１の吸着ローラ２０に対する接触面積が大きくなる。なお、粘着ローラ７１は、吸着ローラ２０に対して、吸着ローラ２０の外周方向に３ｍｍ以上の面幅で接触することが好ましい。これにより、粘着ローラ７１によって異物がより除去されやすくなる。

上述したように、本実施形態では、異物除去部７０は、粘着ローラ７１、噴出ノズル７３およびブラシローラ７４を有する。吸着ローラ２０が回転すると、吸着ローラ２０に付着した比較的大きな異物が、先ず、ブラシローラ７４によって除去される。次に、吸着ローラ２０に付着した剥離しやすい異物が、噴出ノズル７３によって、除去される。そして、吸着ローラ２０に付着した異物のうち、ブラシローラ７４および噴出ノズル７３によって、除去されなかった異物が、粘着ローラ７１によって除去される。

このように、吸着ローラ２０に付着した異物を、異物除去部７０によって、効果的に除去できる。したがって、吸着ローラ２０から電解質膜９２に転着する異物を低減できる。また、製造装置１が稼動している間も、異物除去部７０によって吸着ローラ２０に付着した異物が除去され続ける。このため、吸着ローラ２０の清掃作業等のメンテナンスの頻度を低減できる。この結果、製造装置１の稼働率を向上できる。

特に、本実施形態では、吸着ローラ２０に保持される電解質膜９２の内側の面に、予め触媒材料９ａの層が形成されている。この触媒材料９ａの層は、製造装置１とは別の装置において、塗工ノズル３１から電解質膜９２に塗工液である触媒インクを吐出することにより、形成される。塗工ノズル３１内部の塗工液は、滞留すると乾燥等の影響で濃度が変化する。そうすると、塗工ノズル３１による吐出が不安定となり、電解質膜９２に形成される触媒材料９ａの層が不安定となる。したがって、電解質膜９２に安定した触媒材料９ａの層を形成するためには、いわゆる「捨て打ち」等の先行吐出を行う必要がある。

先行吐出によって形成された触媒材料９ａの層は、剥離しやすく異物となる場合がある。また、本実施形態では、触媒材料９ａの層は電解質膜９２の吸着ローラ２０と接触する面に形成される。このため、先行吐出によって形成された触媒材料９ａの層は、吸着ローラ２０に付着する異物となる場合がある。しかしながら、本実施形態では、吸着ローラ２０に付着した、先行吐出に起因する異物も、異物除去部７０において除去することができる。

＜３．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、異物除去部は、粘着ローラ、粘着ローラ、排気ケース部、噴出ノズルおよびブラシローラを有していた。しかしながら、異物除去部は、必ずしもこれらの全ての要素を有していなくてもよい。例えば、異物除去部は、吸着ローラのみで構成されていてもよい。

また、上記の実施形態では、異物除去部は、一つの粘着ローラを有していた。しかしながら、異物除去部は、複数の粘着ローラを有していてもよい。また、ブラシローラを、粘着ローラに置き換えてもよい。

また、上記の実施形態では、異物除去部は、粘着ローラを吸着ローラに対して移動させるエアシリンダを有していた。しかしながら、異物除去部は、ブラシローラを吸着ローラに対して移動させるエアシリンダをさらに有していてもよい。

また、上記の実施形態では、触媒材料の層は、触媒材料を塗工ノズルから吐出することで形成されていた。しかしながら、触媒材料の層は、触媒材料を電解質膜に転写することで形成されてもよい。

また、上記の実施形態では、一方の面に予め触媒材料の層が形成された電解質膜の他方の面に、触媒材料を形成する場合について説明した。しかしながら、本発明の製造装置は、表裏のいずれの面にも触媒材料の層が形成されていない電解質膜に対して、触媒材料を形成するものであってもよい。

また、膜・触媒層接合体の製造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。

１ 製造装置
２０ 吸着ローラ
３１ 塗工ノズル
７０ 異物除去部
７１ 粘着ローラ
７２ 排気ケース部
７３ 噴出ノズル
７４ ブラシローラ
７５ エアシリンダ
９０ 長尺帯状体
９１ 基材
９２ 電解質膜
７２１ 排気口

Claims (16)

1. 電解質膜の表面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造装置であって、
   長尺体状の電解質膜を、その外周面の一部で吸着保持するとともに、その軸心周りに回転する吸着ローラと、
   前記吸着ローラに吸着保持されつつ移動する電解質膜の表面に、触媒材料を供給する材料供給部と、
   前記吸着ローラの周囲の前記電解質膜が存在しない位置において、前記吸着ローラの外周面に付着した異物を除去する異物除去部と、
   を有する製造装置。
2. 請求項１に記載の製造装置であって、
   前記異物除去部は、外周面が粘着質の材料からなる一つ以上の粘着ローラを有し、
   前記粘着ローラは、前記吸着ローラと接触しつつ回転する製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の製造装置であって、
   前記異物除去部は、
   前記吸着ローラの外周面の一部を覆い、内部の気体を吸引して外部に排気する排気口を有する排気ケース部と、
   前記吸着ローラに向けて気体を噴出する、一つ以上の噴出ノズルと、
   を有し、
   前記排気ケース部は、前記噴出ノズルを内部に収容する製造装置。
4. 請求項３に記載の製造装置であって、
   前記異物除去部は、
   前記吸着ローラと接触しつつ回転するブラシローラをさらに有する製造装置。
5. 請求項４に記載の製造装置であって、
   前記ブラシローラを能動回転させる回転駆動部をさらに有する製造装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の製造装置であって、
   前記ブラシローラは、前記排気ケース部の内部に収容される製造装置。
7. 請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の製造装置であって、
   前記噴出ノズルは、前記吸着ローラに向けて環境温度よりも低温の気体を噴出する製造装置。
8. 請求項２に記載の製造装置であって、
   前記粘着ローラは、ゴム製である製造装置。
9. 請求項２または請求項８に記載の製造装置であって、
   前記異物除去部は、前記粘着ローラを前記吸着ローラに対して、接触または隔離する方向に移動させる移動機構をさらに有する製造装置。
10. 請求項９に記載の製造装置であって、
    前記移動機構は、前記粘着ローラを前記吸着ローラに対して押圧する製造装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記材料供給部は、
    スリット状の吐出口を有し、
    前記吐出口から前記電解質膜に向けて触媒材料を吐出する製造装置。
12. 電解質膜の表面に触媒層を形成する膜・触媒層接合体の製造方法であって、
    ａ）長尺体状の電解質膜を、軸心周りに回転する吸着ローラの外周面の一部で吸着保持する工程と、
    ｂ）前記吸着ローラに吸着保持されつつ移動する電解質膜の表面に、触媒材料を供給する工程と、
    ｃ）前記吸着ローラの周囲の前記電解質膜が存在しない位置に配置された異物除去部により、前記吸着ローラの外周面に付着した異物を除去する工程と、
    を有する製造方法。
13. 請求項１２に記載の製造方法であって、
    前記異物除去部は、外周面が粘着質の材料からなる一つ以上の粘着ローラを有し、
    前記工程ｃ）では、前記粘着ローラは、前記吸着ローラと接触しつつ回転することで異物を除去する製造方法。
14. 請求項１２または請求項１３に記載の製造方法であって、
    前記異物除去部は、
    前記吸着ローラの外周面の一部を覆い、内部の気体を吸引して外部に排気する排気口を有する排気ケース部と、
    前記排気ケース部に収容される、一つ以上の噴出ノズルと、
    を有し、
    前記工程ｃ）は、
    ｄ）前記吸着ローラに向けて前記噴出ノズルにより気体を噴出する工程と、
    ｅ）前記排気口により、前記排気ケース部の内部の気体を排気する工程と、
    を有する製造方法。
15. 請求項１４に記載の製造方法であって、
    前記異物除去部は、前記排気ケース部に収容されるブラシローラをさらに有し、
    前記工程ｃ）は、
    ｆ）前記ブラシローラが、前記吸着ローラと接触しつつ回転する工程をさらに有する製造方法。
16. 請求項１４または請求項１５に記載の製造方法であって、
    前記工程ｄ）では、環境温度よりも低温の気体を前記吸着ローラに向けて噴出する製造方法。

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