JP2017084826A - 膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる複合膜の製造装置および製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜巻出ローラ１２からバックシート付きにて電解質膜が送り出され、第１プレスローラ１１によって電解質膜の第２面を吸着ローラ２０に吸着させた状態でバックシートを剥離する。バックシートが剥離された電解質膜を吸着ローラ２０に吸着支持した状態で搬送しつつ、電解質膜の第１面に電極インクを塗工して電極インク層を形成し、それに熱風を吹き付けて乾燥させて触媒層とする。その後、吸着ローラ２０に近接配置された第２プレスローラ５１の外周面が電解質膜の第１面に当接して支持した状態で第３プレスローラ５２が電解質膜の第２面に支持フィルムを押し付けて貼り合わせ、膜・電極接合体を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、帯状の薄膜上に機能層を形成した複合膜、例えば燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置および製造方法に関する。

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（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）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のセルに使用される膜・電極接合体は、電解質の薄膜の両面に機能層として触媒層を形成した複合膜である。その膜・電極接合体の両側にガス拡散層、セパレーターを配置することで単位セルが構成される。かかる膜・電極接合体は、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）を電解質膜の表面に塗工することによって作製される。ところが、電解質膜は電極インクに含まれる溶媒や雰囲気中の水分を容易に吸収して膨潤・収縮を生じ易いという性質を有している。このため、電極インクを塗工して乾燥するときに電解質膜に皺やピンホールが発生するという問題があった。電解質膜に皺やピンホールが発生すると燃料電池の発電性能が低下することとなる。

このような問題を解決するために、特許文献１には、吸引加熱ローラによって電解質膜を吸引しつつ搬送し、その電解質膜に塗布された電極インクを直ちに加熱して乾燥することにより、電解質膜の変形を抑制する技術が開示されている。また、特許文献２にも、ローラに吸着した電解質膜に電極インクをスプレー塗布し、その電極インクをローラによる加熱によって乾燥する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、一方面に形状保持フィルムが貼り付けられた電解質膜をバックアップローラに懸架して当該電解質膜の他方面に触媒インクを塗布し、触媒インクの乾燥後に触媒層が形成された電解質の他方面にも形状保持フィルムを貼り付けることによって電解質膜に皺が発生するのを防止することが開示されている。

特開２００１−７０８６３号公報 特開２００４−３５１４１３号公報 特開２０１１−１６５４６０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される技術では、ローラによって電解質膜を吸着した状態で電極インクを塗工しているため、塗工時の電解質膜の膨潤による変形は防ぐことができるものの、塗工後にローラから電解質膜が離れたときには電極インクの溶媒の吸収およびインクの乾燥によって膨潤・収縮が生じるおそれがある。また、特許文献３に開示される技術では、電解質膜を単にバックアップローラに懸架しているだけであるため、膨潤の程度が大きい溶剤を使用した電極インクを塗工した場合には塗工時に電解質膜が形状保持フィルムからずれて変形するおそれがある。すなわち、いずれにおいても、膜・電極接合体の製造時に電解質膜の変形が生じる可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる複合膜の製造装置および製造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、請求項１の発明は、燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置において、帯状の電解質膜を多孔質体を介して吸着して支持する吸着ローラと、バックシートが片面のみに貼り合わされた電解質膜を前記吸着ローラに送り出す巻出ローラと、前記巻出ローラから送り出された前記電解質膜が前記吸着ローラに吸着された状態で前記バックシートを剥離する第１ローラと、前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜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前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、前記触媒層が形成された前記電解質膜を前記吸着ローラから剥離するとともに、前記電解質膜の片面のみに支持フィルムを押し付けて貼り合わせる第２ローラと、を備え、前記膜・触媒層接合体の製造工程中には、前記電解質膜が常に、前記バックシート、前記吸着ローラ、前記第２ローラおよび前記支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されていることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記乾燥手段は、前記吸着ローラの外周面の一部を覆うように設けられ、前記乾燥手段は、複数の乾燥ゾーンに分割され、前記複数の乾燥ゾーンの乾燥温度は、前記電解質膜が搬送される搬送方向の上流側から下流側に向けて順次高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の発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記乾燥手段は、少なくとも前記搬送方向の最も上流側に熱遮断ゾーンを有することを特徴とする。

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膜・触媒層接合体の製造装置において、前記支持フィルムが貼り合わされた前記電解質膜を加熱する補助乾燥手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記塗工手段は、スリット状の吐出口を備えるスリットノズルを有す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膜・触媒層接合体の製造装置において、前記吸着ローラを冷却する冷却手段をさらに備え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膜・触媒層接合体の製造装置において、前記吸着ローラの外周面にエアーを吹き付ける噴出手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記塗工手段は、前記電解質膜に塗工液を断続的に塗工する間欠塗工を行うことを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項１から請求項８のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記第１ローラが剥離した前記バックシートを前記支持フィルムとして前記電解質膜に貼り合わせることを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項１から請求項９のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造装置において、前記塗工液は、電極ペーストであることを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、燃料電池の膜・触媒層接合体の製造方法において、バックシートが片面のみに貼り合わされた帯状の電解質膜を吸着ローラに送り出す送出工程と、前記電解質膜を多孔質体を介して前記吸着ローラに吸着して支持する吸着支持工程と、前記電解質膜が前記吸着ローラに吸着された状態で第１ローラによって前記バックシートを剥離する剥離工程と、前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜に塗工液を塗工する塗工工程と、前記電解質膜に塗工された前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥工程と、第２ローラにより、前記触媒層が形成された前記電解質膜を前記吸着ローラから剥離するとともに、前記電解質膜の片面のみに支持フィルムを押し付けて貼り合わせる貼付工程と、を備え、前記膜・触媒層接合体の製造工程中には、前記電解質膜が常に、前記バックシート、前記吸着ローラ、前記第２ローラおよび前記支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されていることを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記塗工工程は、前記電解質膜に塗工液を断続的に塗工する間欠塗工を行うことを特徴とする。

また、請求項１３の発明は、請求項１１または請求項１２の発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記貼付工程は、前記剥離工程で剥離された前記バックシートを前記支持フィルムとして前記電解質膜に貼り合わせることを特徴とする。

また、請求項１４の発明は、請求項１１から請求項１３のいずれかの発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法において、前記塗工液は、電極ペーストであることを特徴とする。

請求項１から請求項１０の発明によれば、膜・触媒層接合体の製造工程中には、電解質膜が常に、バックシート、吸着ローラ、第２ローラおよび支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されているため、塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる。

特に、請求項２の発明によれば、複数の乾燥ゾーンの乾燥温度は、電解質膜が搬送される搬送方向の上流側から下流側に向けて順次高くなるため、塗工された塗工液は徐々に乾燥されることとなり、急激な乾燥に起因した機能層へのクラックの発生を防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、乾燥手段が少なくとも搬送方向の最も上流側に熱遮断ゾーンを有するため、熱雰囲気が漏出することによる塗工不良を防止することができる。

特に、請求項４の発明によれば、支持フィルムが貼り合わされた前記電解質膜を加熱する補助乾燥手段を備えるため、塗工液を十分に乾燥させることができる。

特に、請求項６の発明によれば、吸着ローラを冷却する冷却手段を備えるため、吸着ローラの蓄熱を防止して塗工時に塗工液が急激に乾燥されるのを防止することができる。

請求項１１から請求項１４の発明によれば、膜・触媒層接合体の製造工程中には、電解質膜が常に、バックシート、吸着ローラ、第２ローラおよび支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されているため、塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜の変形を抑制することができる。

本発明に係る複合膜の製造装置の全体概略構成を示す斜視図である。 図１の製造装置の側面図である。 吸着ローラおよび乾燥炉の構成を示す図である。 吸着ローラおよび乾燥炉の正面図である。 図１の製造装置において膜・電極接合体が製造される手順を示すフローチャートである。 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。 電解質膜に電極インクが間欠塗工された状態を示す図である。 電極インクが間欠塗工された電解質膜の断面図である。 触媒層が形成された電解質膜の断面図である。 第２プレスローラおよび第３プレスローラによって電解質膜に支持フィルムが貼付される様子を示す図である。 第２実施形態の複合膜の製造装置の側面図である。 第２実施形態にて電解質膜巻出ローラから巻き出されたバックシート付き電解質膜の断面図である。 触媒層に対応する反対面に電極インクが間欠塗工された電解質膜の断面図である。 両面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。 支持フィルムが貼り合わされた電解質膜の断面図である。 第３実施形態の複合膜の製造装置の側面図である。 第１面に触媒層が積層された電解質膜の第２面に支持フィルムが貼り合わされた電解質膜の断面図である。

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。

＜１．第１実施形態＞
図１は、本発明に係る複合膜の製造装置１の全体概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１の製造装置１の側面図である。この複合膜の製造装置１は、帯状の薄膜である電解質膜２の表面に電極インク（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上に機能層として触媒層（電極）を形成して固体高分子形燃料電池用の膜・電極接合体５を製造する装置である。なお、図１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。

製造装置１は、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１０と、電解質膜２を吸着支持して搬送する吸着ローラ２０と、電解質膜２の表面に電極インクを塗工する塗工ノズル３０と、塗工された電極インクを加熱して乾燥させる乾燥炉４０と、乾燥工程を経た電解質膜２に支持フィルムを貼り合わせる貼付部５０と、を備える。

剥離部１０は第１プレスローラ１１を備える。また、製造装置１は、電解質膜巻出ローラ１２、補助ローラ１３およびバックシート巻取ローラ１４を備える。電解質膜巻出ローラ１２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。

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・電極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、電解質膜巻出ローラ１２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６付きの電解質膜２が巻回されている。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。

電解質膜巻出ローラ１２に巻回された初期状態のバックシート６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６の膜厚は２５μｍ〜１００μｍであり、その幅は電解質膜２の幅と同等かそれより若干大きい。第１実施形態では、電解質膜２の第１面にバックシート６が貼り合わされている。

電解質膜巻出ローラ１２から送り出されたバックシート６付きの電解質膜２は、補助ローラ１３に懸架され、第１プレスローラ１１によって吸着ローラ２０に押し付けられる。第１プレスローラ１１は、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２０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１１と吸着ローラ２０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１１と吸着ローラ２０との間を通過するときに、電解質膜２の第２面が吸着ローラ２０に押し付けられる。第１プレスローラ１１がバックシート６付き電解質膜２を吸着ローラ２０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１１と吸着ローラ２０との間隔を調整することによって制御される。

第１プレスローラ１１が電解質膜２の第２面を吸着ローラ２０に押し付けることによって、電解質膜２は吸着ローラ２０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の第１面から剥離され、バックシート巻取ローラ１４に巻き取られる。すなわち、剥離部１０の第１プレスローラ１１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２０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１４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、電解質膜巻出ローラ１２から補助ローラ１３を経て第１プレスローラ１１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。

吸着ローラ２０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２０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２０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２中矢印ＡＲ２に示す向きに回転される。

吸着ローラ２０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_２Ｏ_３）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２０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２０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以下とされている。

図３は、吸着ローラ２０および乾燥炉４０の構成を示す図である。吸着ローラ２０の上面および／または底面には吸引口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）によって吸引されて負圧が与えられる。吸着ローラ２０は、気孔率が１５％〜５０％の多孔質であるため、吸引口２１に負圧が付与されると、内部の気孔を介して吸着ローラ２０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２１に９０ｋＰａ以上の負圧が付与されることによって、吸着ローラ２０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２０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。

また、吸着ローラ２０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２０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２０は冷却されることとなる。

図１，２に戻り、吸着ローラ２０の外周面に対向して塗工ノズル３０が設けられている。塗工ノズル３０は、吸着ローラ２０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１１よりも下流側に設けられている。塗工ノズル３０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。塗工ノズル３０は、スリット状の吐出口が吸着ローラ２０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、塗工ノズル３０は、図示しない駆動機構によって吸着ローラ２０に対する位置および姿勢が調整可能に設けられている。

塗工ノズル３０には、塗工液供給機構３５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。

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、プロピレングリコ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塗工液供給機構３５から塗工ノズル３０に供給する。

塗工液供給機構３５は、上述の如き電極インクを貯留するタンク、当該タンクと塗工ノズル３０とを連通接続する供給配管、および、当該供給配管に設けられた開閉バルブなどを有する。塗工液供給機構３５は、開閉バルブを開放し続けることによって塗工ノズル３０に連続して電極インクを供給することも可能であるし、開閉バルブを繰り返し開閉することによって塗工ノズル３０に断続的に電極インクを供給することも可能である。

塗工液供給機構３５から供給された電極インクは、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の第１面に塗工ノズル３０から塗工される。塗工液供給機構３５が連続して電極インクを供給する場合には電解質膜２に電極インクが連続的に塗工され、断続的に電極インクを供給する場合には電解質膜２に電極インクが間欠塗工される。

乾燥炉４０は、吸着ローラ２０の外周面の一部を覆うように設けられている。図３に示すように、乾燥炉４０は、３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３、および、２つの熱遮断ゾーン４４，４５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４１，４２，４３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２０の外周面に向けて熱風を吹き付ける。乾燥炉４０からの熱風の吹き付けによって、電解質膜２の第１面に塗工された電極インクが乾燥される。

３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３は、吹き付ける熱風の温度が異なる。３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３が吹き付ける熱風の温度は、吸着ローラ２０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３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４１の熱風温度は室温〜４０℃であり、中間の乾燥ゾーン４２の熱風温度は４０℃〜８０℃であり、最も下流側の乾燥ゾーン４３の熱風温度は５０℃〜１００℃である。

２つの熱遮断ゾーン４４，４５は、電解質膜２の搬送方向に沿って乾燥ゾーン４１，４２，４３の両端に設けられている。熱遮断ゾーン４４は乾燥ゾーン４１の上流側に設けられ、熱遮断ゾーン４５は乾燥ゾーン４３の下流側に設けられている。２つの熱遮断ゾーン４４，４５は、図外の排気部からの排気により、吸着ローラ２０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４１，４２，４３から吹き出された熱風が乾燥炉４０を超えて吸着ローラ２０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乾燥炉４０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４４が設けられていれば、乾燥ゾーン４１，４２，４３から吹き出された熱風が塗工ノズル３０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。

図４は、吸着ローラ２０および乾燥炉４０の正面図である。乾燥炉４０には、吸着ローラ２０の幅方向（Ｙ軸方向）に沿った両端にも吸引部４６，４７が設けられている。吸引部４６，４７は、熱遮断ゾーン４４，４５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。

図１，２に戻り、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向に沿って乾燥炉４０よりも下流側に貼付部５０が設けられている。貼付部５０は、第２プレスローラ５１および第３プレスローラ５２を備える。第２プレスローラ５１は、図示を省略するシリンダーによって吸着ローラ２０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５１と吸着ローラ２０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と触媒層との合計厚さ）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５１と吸着ローラ２０との間を通過するときに、触媒層を含む電解質膜２の第１面が第２プレスローラ５１に押し付けられる。

第３プレスローラ５２は、図示を省略するシリンダーによって第２プレスローラ５１から所定の間隔を隔てた位置に近接支持されている。第３プレスローラ５２と第２プレスローラ５１との間隔は、電解質膜２と触媒層との合計の厚さにさらに後述する支持フィルム７の厚さを加えた値よりも小さい。なお、第１プレスローラ１１、第２プレスローラ５１および第３プレスローラ５２は、吸着ローラ２０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１１、第２プレスローラ５１および第３プレスローラ５２の径は適宜のものとすることができる。

製造装置１には、さらに支持フィルム巻出ローラ５５および接合体巻取ローラ５６が設けられている。支持フィルム巻出ローラ５５は、支持フィルム７が巻回されており、その支持フィルム７を連続的に送り出す。支持フィルム７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フィルム、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。すなわち、支持フィルム７はバックシート６と同じものであっても良く、剥離部１０が剥離してバックシート巻取ローラ１４によって巻き取ったバックシート６を支持フィルム７として支持フィルム巻出ローラ５５から送り出すようにしても良い。また、支持フィルム７は、上記の樹脂フィルムの片面（電解質膜２との貼り合わせ面）に粘着剤を塗布した片面微粘着フィルムであっても良い。

支持フィルム巻出ローラ５５から送り出された支持フィルム７は、第３プレスローラ５２に懸架される。一方、乾燥処理後の触媒層が形成された電解質膜２は、第２プレスローラ５１によって吸着ローラ２０から剥離されて第２プレスローラ５１に懸架される。そして、第２プレスローラ５１および第３プレスローラ５２によって、電解質膜２の第２面に支持フィルム７が押し付けられて貼り合わされる。この工程を経て支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が製造される。

支持フィルム７付きの膜・電極接合体５は、接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる。接合体巻取ローラ５６は、膜・電極接合体５を巻き取るとともに、吸着ローラ２０から離れて第２プレスローラ５１に懸架された電解質膜２に一定の張力を与える。製造装置１は、貼付部５０と接合体巻取ローラ５６との間に追加乾燥炉４９を備える。貼付部５０にて支持フィルム７が貼り合わされた膜・電極接合体５は、追加乾燥炉４９を通過してから接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる。追加乾燥炉４９としては、公知の熱風乾燥炉を用いることができる。追加乾燥炉４９の内部を支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が通過することによって、触媒層の仕上げの乾燥が行われる。

また、製造装置１は、エアー噴出部６０を備える。エアー噴出部６０は、貼付部５０と剥離部１０との間に設けられている。エアー噴出部６０は、吸着ローラ２０に向けてエアーを噴出する機構と、周辺の雰囲気を吸引する機構とを備えている。エアー噴出部６０が噴出するエアーは、例えば５℃程度に冷却されている。なお、エアー噴出部６０は、貼付部５０と剥離部１０との間に設けられているため、電解質膜２が吸着されていない吸着ローラ２０の外周面にエアーを吹き付ける。

エアー噴出部６０が吸着ローラ２０に冷却されたエアーを吹き付けることによって、吸着ローラ２０の外周面が冷却される。また、エアー噴出部６０が吸着ローラ２０にエアーを吹き付けるとともに、周辺雰囲気を吸引することによって、吸着ローラ２０の外周面に付着した異物を取り除くことができる。

さらに、製造装置１は、装置に設けられた各機構を制御する制御部９０を備える。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、製造装置１に設けられた各動作機構が制御されて膜・電極接合体５の製造処理が進行する。

次に、上記の構成を有する複合膜の製造装置１における処理手順について説明する。図５は、製造装置１において膜・電極接合体５が製造される手順を示すフローチャートである。以下に説明する膜・電極接合体５の製造手順は、制御部９０が製造装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、電解質膜巻出ローラ１２がバックシート６付きの電解質膜２を巻き出す（ステップＳ１）。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バックシート６が貼り付けられた状態となっている。バックシート６は電解質膜２の第１面に貼り合わされている。電解質膜巻出ローラ１２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、補助ローラ１３に懸架され、剥離部１０の第１プレスローラ１１へと送り出される。

剥離部１０では、第１プレスローラ１１によってバックシート６付きの電解質膜２の第２面を吸着ローラ２０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２０に吸着支持させる（ステップＳ２）。換言すれば、第１プレスローラ１１は、吸着ローラ２０に電解質膜２の第２面が吸着された状態でバックシート６を剥離する。図６は、第１プレスローラ１１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２０に吸着させる様子を示す図である。第１プレスローラ１１と吸着ローラ２０との間にてバックシート６が電解質膜２から剥離され、電解質膜２は吸着ローラ２０に吸着される。

第１プレスローラ１１は、強度の弱い電解質膜２を変形させることなく吸着ローラ２０の外周面に確実に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２０に押し付けている。但し、第１プレスローラ１１は、吸着ローラ２０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１１がバックシート６付き電解質膜２を吸着ローラ２０に押し付ける力は、当該間隔によって調整される。

吸着ローラ２０は、電解質膜２の第２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２０の吸引口２１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２０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、吸着ローラ２０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２０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。

また、吸着ローラ２０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２０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２０は、脆弱な機械的性質を有する電解質膜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。

図６に示すように、電解質膜２を吸着支持した吸着ローラ２０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２０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１４によって巻き取られる。

次に、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の第１面には、塗工ノズル３０から電極インクが塗工される（ステップＳ３）。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、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。

また、本実施形態では、塗工液供給機構３５が電極インクを断続的に塗工ノズル３０に供給することによって、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の第１面に塗工ノズル３０から間欠塗工を行っている。図７は、電解質膜２に電極インクが間欠塗工された状態を示す図である。また、図８は、電極インクが間欠塗工された電解質膜２の断面図である。吸着ローラ２０に吸着支持されて一定速度で搬送される電解質膜２に塗工ノズル３０から電極インクを断続的に吐出することによって、図７，８に示すように、電解質膜２の第１面には一定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。

回転時の吸着ローラ２０の全振れは１０μｍ以下であり、吸着ローラ２０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２０の外周面と塗工ノズル３０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、塗工ノズル３０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。

電解質膜２の第１面に形成される各電極インク層８の幅は、塗工ノズル３０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、塗工ノズル３０の電極インク吐出時間と電解質膜２の搬送速度（つまり、吸着ローラ２０の回転速度）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、塗工ノズル３０の吐出口と電解質膜２の第１面との距離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。電極インクは塗工ノズル３０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。

次いで、吸着ローラ２０の回転によって、電極インク層８が乾燥炉４０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Ｓ４）。電極インク層８の乾燥処理は、乾燥炉４０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４９を設けて最終の仕上げ乾燥を行うため、乾燥炉４０では触媒層９からインクが第２プレスローラ５１に付着しない程度にまで乾燥させておけば良い。

図９は、触媒層９が形成された電解質膜２の断面図である。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。

また、乾燥炉４０は、３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３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２０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４１から中間の乾燥ゾーン４２を経て最も下流側の乾燥ゾーン４３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２０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。

本実施形態では、乾燥炉４０を３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３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４１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４２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４３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。

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４１，４２，４３を通過する合計時間である。例えば、吸着ローラ２０の直径が４００ｍｍで３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３が吸着ローラ２０の外周面の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２０の回転速度によって規定される。

また、乾燥炉４０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４４を備え、最も下流側に熱遮断ゾーン４５を備えている。これにより、乾燥ゾーン４１，４２，４３から吹き出された熱風が乾燥炉４０を超えて吸着ローラ２０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、乾燥炉４０の上流側に位置する塗工ノズル３０や下流側に位置する貼付部５０が不必要に加熱されるのを防止することができる。

さらに、乾燥炉４０には、熱遮断ゾーン４４，４５に加えて吸引部４６，４７も設けられており、これらによって乾燥炉４０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。

次に、吸着ローラ２０のさらなる回転によって、乾燥後の触媒層９が貼付部５０に到達する。触媒層９が形成された電解質膜２が貼付部５０に到達すると、電解質膜２は吸着ローラ２０から剥離されて第２プレスローラ５１によって懸架される。すなわち、電解質膜２の第２面が吸着ローラ２０の外周面から剥離されるとともに、電解質膜２の第１面が第２プレスローラ５１の外周面によって当接支持されるのである（ステップＳ５）。このときには、電解質膜２に形成された触媒層９が第２プレスローラ５１に接触することとなる。一方、支持フィルム巻出ローラ５５から送り出された支持フィルム７は、第３プレスローラ５２に懸架される。

第２プレスローラ５１と第３プレスローラ５２とは、所定の間隔を隔てて設けられており、その間隔は電解質膜２と触媒層９と支持フィルム７との合計厚さよりも小さい。従って、電解質膜２および支持フィルム７が第２プレスローラ５１と第３プレスローラ５２との間を通過するときに、電解質膜２の第２面に支持フィルム７が押し付けられて貼り合わされる（ステップＳ６）。

図１０は、第２プレスローラ５１および第３プレスローラ５２によって電解質膜２に支持フィルム７が貼付される様子を示す図である。第２プレスローラ５１に巻き掛けられた電解質膜２の第２面と、第３プレスローラ５２に巻き掛けられた支持フィルム７とが接触する。このときに、電解質膜２の第２面に支持フィルム７が押し付けられる力は、第２プレスローラ５１と第３プレスローラ５２との間隔によって規定される。電解質膜２は表面に多少の粘着性を有しているため、支持フィルム７がＰＥＮ等の樹脂フィルムであっても、電解質膜２の第２面に支持フィルム７を押し付けることによって支持フィルム７を貼付することができる。支持フィルム７が片面に粘着剤を塗布した片面微粘着フィルムであれば、より確実に支持フィルム７を電解質膜２に貼付することができる。

電解質膜２の第２面に支持フィルム７を貼付することによって、支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が製造される。この膜・電極接合体５は、接合体巻取ローラ５６によって巻き取られることにより搬送される。この過程で、支持フィルム７付きの膜・電極接合体５は追加乾燥炉４９の内部を通過する。これにより、触媒層９の最終の仕上げ乾燥が行われる（ステップＳ７）。乾燥炉４０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４９によって触媒層９を確実に乾燥させることができる。追加乾燥炉４９を通過した支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が接合体巻取ローラ５６によって巻き取られることにより、一連の膜・電極接合体５の製造プロセスが完了する（ステップＳ８）。

ところで、上記の製造装置１においては、吸着ローラ２０の外周面の一部を覆うように乾燥炉４０を設け、電極インク層８の乾燥のために吸着ローラ２０の外周面に熱風を吹き付けている。このため、多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２０が徐々に蓄熱して昇温する。吸着ローラ２０が所定値を超えて高温になると、塗工ノズル３０から電解質膜２に塗工された電極インクが直ちに加熱されて急激に乾燥し、電極インク層８の表面にクラックが生じるおそれがある。

このため、吸着ローラ２０に複数の水冷管２２を設け（図３）、その水冷管２２に恒温水を流すことによって吸着ローラ２０を冷却して所定値以上に昇温するのを防いでいる。但し、多孔質セラミックスにて形成された吸着ローラ２０は熱伝導度が低い場合もあり、しかも乾燥炉４０は吸着ローラ２０の外周面に熱風を吹き付けるため、当該外周面の温度上昇を十分に抑制できない場合もあり得る。

このような場合であっても、エアー噴出部６０（図２）から吸着ローラ２０の外周面に向けて冷却エアーを吹き付けることにより、乾燥炉４０からの熱風により蓄熱された吸着ローラ２０の外周面を冷却して除熱することができる。これにより、塗工ノズル３０から電解質膜２に塗工された電極インクが直ちに加熱されるのを防ぐことができる。また、エアー噴出部６０が吸着ローラ２０にエアーを吹き付けるとともに、周辺雰囲気を吸引することによって、吸着ローラ２０の外周面に付着した異物を取り除くことができる。

第１実施形態においては、電解質膜巻出ローラ１２からバックシート６付きにて電解質膜２が送り出され、第１プレスローラ１１によって電解質膜２の第２面を吸着ローラ２０に吸着させた状態でバックシート６を剥離している。そして、電解質膜２を吸着ローラ２０に吸着支持した状態で搬送しつつ、電解質膜２の第１面に電極インクを塗工して電極インク層８を形成し、それに熱風を吹き付けて乾燥させて触媒層９としている。その後、吸着ローラ２０に近接配置された第２プレスローラ５１の外周面が電解質膜２の第１面に当接して支持した状態で当該電解質膜２の第２面に支持フィルム７を貼り合わせている。

従って、電解質膜巻出ローラ１２から吸着ローラ２０を経て接合体巻取ローラ５６に至るまでロール・ツー・ロール（roll-to-roll）で搬送される電解質膜２は、常に何らかの部材によって連続的に支持されている。具体的には、初期段階では電解質膜２の第１面がバックシート６によって支持され、バックシート６が剥離されるときには電解質膜２の第２面が吸着ローラ２０の外周面によって支持され、触媒層９の乾燥後に吸着ローラ２０から離れるときには電解質膜２の第１面が第２プレスローラ５１によって支持されている。さらに、第２プレスローラ５１の外周面に電解質膜２の第１面が当接支持された状態で電解質膜２の第２面に支持フィルム７が貼り合わされて接合体巻取ローラ５６に巻き取られる。

既述したように、製造装置１にて使用される電解質膜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という特性を有しており、極めて変形しやすい。何らの支持もしていない電解質膜２に電極インクを塗布すると、電極インクに含まれる溶媒によって電解質膜２が膨潤し、電極インクが乾燥されるときには電解質膜２も収縮する。また、乾燥炉４０で触媒層９が十分には乾燥されていない場合には、乾燥炉４０での乾燥処理後にも電解質膜２が膨潤・収縮にすることがある。電解質膜２が膨潤・収縮すると、電解質膜２に皺やピンホールが発生するおそれがある。すなわち、特に、溶媒を含む電極インクが塗工された以降において、電解質膜２の膨潤・収縮が生じやすく、皺やピンホールの発生が問題となる。電解質膜２にこのような皺やピンホールが発生すると、燃料電池の発電性能を低下させる要因となる。

本実施形態においては、電極インクを塗工するときには電解質膜２を吸着ローラ２０によって吸着支持するとともに、その後に電解質膜２が吸着ローラ２０から離れた後も第２プレスローラ５１および支持フィルム７によって電解質膜２を連続的に支持している。従って、電極インクの塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。その結果、本発明に係る製造装置１によって製造された膜・電極接合体５を使用した燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。

また、製造装置１では、電極インクの塗工時以降のみならず、電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から送り出されてから接合体巻取ローラ５６に巻き取られるまで常に何らかの部材によって連続的に支持されている。このため、膜・電極接合体５の一連の製造工程の全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。

＜２．第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では、電解質膜２の片面に電極インクを塗工して触媒層９を形成していたが、第２実施形態においては、片面に触媒層９が形成された電解質膜２の反対面に電極インクを塗工して触媒層９を形成する。電解質膜２の両面にアノードおよびカソードの触媒層９を形成することによって、固体高分子形燃料電池の膜・電極接合体５として機能することとなる。

図１１は、第２実施形態の複合膜の製造装置１ａの側面図である。同図において、第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。第２実施形態の製造装置１ａが第１実施形態の製造装置１と相違するのは、画像処理ユニット７０を備えている点である。画像処理ユニット７０は、電解質膜巻出ローラ１２と剥離部１０の第１プレスローラ１１との間のいずれかの位置に設けられている（第２実施形態では、補助ローラ１３と第１プレスローラ１１との間）。画像処理ユニット７０は、撮像カメラおよび画像データ解析機器を備えており、電解質膜巻出ローラ１２から送り出されて剥離部１０に向けて搬送される電解質膜２の表面を撮像カメラにて撮像する。画像処理ユニット７０は、撮像カメラが撮像して得た画像データに所定の画像処理を施して電解質膜２上における触媒層９の形成位置を特定する。画像処理ユニット７０による解析結果は制御部９０に伝達される。画像処理ユニット７０を除く第２実施形態の製造装置１ａの残余の構成は第１実施形態の製造装置１と同じである。

第２実施形態の製造装置１ａにおける処理手順も第１実施形態と同様である（図５参照）。但し、第２実施形態では、既に片面に触媒層９が形成された電解質膜２の反対面に電極インクを塗工する。このため、電解質膜巻出ローラ１２には、片面に触媒層９が形成された電解質膜２の反対面にバックシート６が貼り付けられたものが巻回されている。例えば、第１実施形態にて第１面に触媒層９が形成された電解質膜２の第２面に支持フィルム７が貼り合わされて接合体巻取ローラ５６に巻き取られたものを、そのまま電解質膜巻出ローラ１２から巻き出すようにしても良い。支持フィルム７とバックシート６とは同じものであっても良く、第１実施形態にて製造された膜・電極接合体５をそのまま第２実施形態にて電解質膜巻出ローラ１２から巻き出す素材とすることが可能である。

図１２は、電解質膜巻出ローラ１２から巻き出されたバックシート６付きの電解質膜２の断面図である。電解質膜２の第１面には断続的に触媒層９が形成されるとともに、第２面にバックシート６が貼り合わされている。電解質膜巻出ローラ１２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、補助ローラ１３に懸架され、剥離部１０の第１プレスローラ１１へと送り出される。

電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から剥離部１０へと送り出される過程において、画像処理ユニット７０によって電解質膜２の第１面が撮像され、画像処理により電解質膜２上における触媒層９の形成位置が特定される。画像処理ユニット７０によって特定された触媒層９の形成位置は制御部９０に伝達される。画像処理ユニット７０は、連続して或いは短い周期で断続的に電解質膜２の第１面を撮像しており、全ての触媒層９についてその形成位置を特定する。

剥離部１０では、第１プレスローラ１１によって電解質膜２の第１面を吸着ローラ２０に押し付けることにより、第２面からバックシート６を剥離して電解質膜２を吸着ローラ２０に吸着支持させる。換言すれば、第１プレスローラ１１は、吸着ローラ２０に電解質膜２の第１面が吸着された状態で第２面からバックシート６を剥離する。第１実施形態にて製造された膜・電極接合体５をそのまま第２実施形態に使用した場合には、電解質膜２の表裏が逆向きに吸着ローラ２０に吸着支持されることとなる。

電解質膜２の第１面を吸着支持した吸着ローラ２０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２０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１４によって巻き取られる。

次に、吸着ローラ２０に吸着支持されて搬送される電解質膜２の第２面には、塗工ノズル３０から電極インクが塗工される。第２実施形態においては、電解質膜２の第１面に既に形成されている触媒層９と逆極性の電極インクを第２面に塗工する。例えば、電解質膜２の第１面にカソードの触媒層９が形成されている場合には、アノード用の電極インクを電解質膜２の第２面に塗工する。逆に、電解質膜２の第１面にアノードの触媒層９が形成されている場合には、カソード用の電極インクを電解質膜２の第２面に塗工する。

また、第２実施形態では、画像処理ユニット７０による触媒層９の形成位置の特定結果に基づいて、その触媒層９の形成位置の対応する電解質膜２の第２面に塗工ノズル３０から電極インクを間欠塗工するように制御部９０が塗工制御を行う。具体的には、電解質膜２の搬送方向における位置合わせについては、制御部９０が塗工ノズル３０からの電極インクの吐出タイミングを制御する。また、電解質膜２の幅方向における位置合わせについては、制御部９０が塗工ノズル３０のＹ軸方向位置を調整する。

図１３は、触媒層９に対応する反対面に電極インクが間欠塗工された電解質膜２の断面図である。同図に示すように、第１面に形成された触媒層９の形成位置に対応する電解質膜２の第２面に電極インクが塗工されて電極インク層８が形成される。なお、電解質膜２の第２面に形成する電極インク層８の位置は、触媒層９の形成位置に完全に対応するものでなくても良く、若干ずれていても良い。

次いで、吸着ローラ２０の回転によって、電極インク層８が乾燥炉４０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。電極インク層８の乾燥処理は、第１実施形態と同様であり、乾燥炉４０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極インク層８が乾燥されて触媒層９となる。

また、乾燥炉４０の３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３は、吸着ローラ２０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熱風温度（乾燥温度）を順次に高くしている。これにより、電極インク層８が段階的に乾燥されることとなり、乾燥処理時のクラックの発生を防止することができる。

図１４は、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の第１面に触媒層９が形成されるとともに、それとは逆極性の触媒層９が第２面に形成される。第２面の触媒層９は第１面における触媒層９の形成位置に対応する位置に形成されるため、図１４に示すように、カソードおよびアノードの触媒層９に電解質膜２が挟み込まれることとなる。

次に、吸着ローラ２０のさらなる回転によって、乾燥後の触媒層９が貼付部５０に到達する。第２面に触媒層９が形成された電解質膜２が貼付部５０に到達すると、電解質膜２は吸着ローラ２０から剥離されて第２プレスローラ５１によって懸架される。すなわち、電解質膜２の第１面が吸着ローラ２０の外周面から剥離されるとともに、電解質膜２の第２面が第２プレスローラ５１の外周面によって当接支持されるのである。一方、支持フィルム巻出ローラ５５から送り出された支持フィルム７は、第３プレスローラ５２に懸架される。

両面に触媒層９が形成された電解質膜２および支持フィルム７が第２プレスローラ５１と第３プレスローラ５２との間を通過するときに、電解質膜２の第１面に支持フィルム７が押し付けられて貼り合わされる。図１５は、支持フィルム７が貼り合わされた電解質膜２の断面図である。第２プレスローラ５１に巻き掛けられた電解質膜２の第１面と、第３プレスローラ５２に巻き掛けられた支持フィルム７とが接触する。このときに、電解質膜２の第１面に支持フィルム７が押し付けられる力は、第２プレスローラ５１と第３プレスローラ５２との間隔によって規定される。電解質膜２の第１面に支持フィルム７を押し付けることにより、電解質膜２の第１面に支持フィルム７が貼り合わされて支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が製造される。なお、図１５では、触媒層９の厚さを誇張して描いているが、実際には３μｍ〜５０μｍの極めて薄いものであるため、触媒層９の上から電解質膜２の第１面に支持フィルム７を適切に貼付することが可能である。

支持フィルム７付きの膜・電極接合体５は、追加乾燥炉４９の内部を通過してから接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる。膜・電極接合体５が追加乾燥炉４９の内部を通過するときに、触媒層９の最終の仕上げ乾燥が行われる。支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が接合体巻取ローラ５６によって巻き取られることにより、一連の膜・電極接合体５の製造プロセスが完了する。

第２実施形態においても、電極インクを塗工するときには電解質膜２を吸着ローラ２０によって吸着支持するとともに、その後に電解質膜２が吸着ローラ２０から離れた後も第２プレスローラ５１および支持フィルム７によって電解質膜２を連続的に支持している。従って、電極インクの塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。その結果、本発明に係る製造装置１ａによって製造された膜・電極接合体５を使用した燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。

また、第２実施形態の製造装置１ａでは、電極インクの塗工時以降のみならず、電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から送り出されてから接合体巻取ローラ５６に巻き取られるまで常に何らかの部材によって連続的に支持されている。このため、膜・電極接合体５の一連の製造工程の全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。

＜３．第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態においては、電解質膜２の片面に電極インクを２回塗工して乾燥処理を行う。図１６は、第３実施形態の複合膜の製造装置１ｂの側面図である。同図において、第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。第３実施形態の製造装置１ｂが第１実施形態の製造装置１と相違するのは、２つの塗工ノズル３０，１３０を備えている点である。

製造装置１ｂの塗工ノズル３０および塗工液供給機構３５は、第１実施形態と同様のものである。第３実施形態の製造装置１ｂは、さらに塗工ノズル１３０を備える。塗工ノズル１３０は、吸着ローラ２０による電解質膜２の搬送方向において、塗工ノズル３０よりも下流側に乾燥炉４０を分断するように設けられている。すなわち、塗工ノズル１３０を挟んで前後に乾燥炉４０が設けられている。例えば、乾燥炉４０の３つの乾燥ゾーンのうちの１つを塗工ノズル１３０よりも上流側に配置するとともに、２つを塗工ノズル１３０よりも下流側に配置するようにすれば良い。

塗工ノズル１３０および塗工液供給機構１３５の構成自体は、塗工ノズル３０および塗工液供給機構３５と同じである。すなわち、塗工ノズル１３０は、先端にスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。塗工液供給機構１３５は、電極インクを貯留するタンクや開閉バルブを備え、塗工ノズル１３０に電極インクを送給する。２つの塗工ノズル３０，１３０を備えている点を除く第３実施形態の製造装置１ｂの残余の構成は第１実施形態の製造装置１と同じである。

第３実施形態の製造装置１ｂにおける処理手順については、第１実施形態と概ね同じである。まず、吸着ローラ２０に電解質膜２の第２面が吸着された状態でバックシート６が第１面から剥離され、吸着ローラ２０によって吸着支持されて搬送される電解質膜２の第１面に塗工ノズル３０から１回目の電極インクが間欠塗工されるまでの工程は第１実施形態と全く同様である。

次いで、吸着ローラ２０の回転によって、電極インク層８が前段の乾燥炉４０（塗工ノズル１３０よりも上流側の乾燥炉４０）に対向する位置にまで搬送され、１回目の電極インクの塗工によって形成された電極インク層８の乾燥処理が行われる。この乾燥処理では、電極インク層８を完全に乾燥させなくても良く、表面が触診で付かない程度に乾燥させておけば良い。

第３実施形態では、１回目の電極インクの塗工によって電解質膜２の第１面に形成された電極インク層８の上に、さらに塗工ノズル１３０から２回目の電極インクの間欠塗工を行う。これにより、電解質膜２の第１面には電極インク層８が二重に積層されることとなる。

吸着ローラ２０の回転によって、電解質膜２の第１面に二重に積層された電極インク層８が後段の乾燥炉４０（塗工ノズル１３０よりも下流側の乾燥炉４０）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。乾燥炉４０から電極インク層８に熱風を吹き付け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、積層された電極インク層８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって電極インク層８が乾燥されて二重に積層された触媒層９となる。

その後、吸着ローラ２０のさらなる回転によって、乾燥後の触媒層９が貼付部５０に到達し、電解質膜２の第２面に支持フィルム７が押し付けられて貼り合わされるが、この工程は第１実施形態と同様である。図１７は、第１面に触媒層９が積層された電解質膜２の第２面に支持フィルム７が貼り合わされた電解質膜２の断面図である。第１実施形態と同様に、電解質膜２の第１面に支持フィルム７を押し付けることにより、電解質膜２の第１面に支持フィルム７が貼り合わされて支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が製造される。

そして、支持フィルム７付きの膜・電極接合体５は、追加乾燥炉４９の内部を通過してから接合体巻取ローラ５６によって巻き取られる。膜・電極接合体５が追加乾燥炉４９の内部を通過するときに、積層された触媒層９の最終の仕上げ乾燥が行われる。支持フィルム７付きの膜・電極接合体５が接合体巻取ローラ５６によって巻き取られることにより、一連の膜・電極接合体５の製造プロセスが完了する。

第３実施形態においても、電極インクを塗工するときには電解質膜２を吸着ローラ２０によって吸着支持するとともに、その後に電解質膜２が吸着ローラ２０から離れた後も第２プレスローラ５１および支持フィルム７によって電解質膜２を連続的に支持している。従って、電極インクの１回目の塗工時以降の搬送全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。その結果、本発明に係る製造装置１ｂによって製造された膜・電極接合体５を使用した燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。

また、第３実施形態の製造装置１ｂでは、電極インクの塗工時以降のみならず、電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から送り出されてから接合体巻取ローラ５６に巻き取られるまで常に何らかの部材によって連続的に支持されている。このため、膜・電極接合体５の一連の製造工程の全体にわたって電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができ、皺やピンホールの発生を防止することができる。

＜４．変形例＞
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、上記各実施形態においては、第１プレスローラ１１および第２プレスローラ５１は、吸着ローラ２０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たが、これらを吸着ローラ２０の外周面に接触して配置するようにしても良い。同様に、第３プレスローラ５２を第２プレスローラ５１に接触して配置するようにしても良い。これらのローラを互いに接触するように配置しても、電解質膜２が電解質膜巻出ローラ１２から送り出されてから接合体巻取ローラ５６に巻き取られるまで常に何らかの部材によって連続的に支持されることとなるため、電解質膜２の膨潤・収縮に起因した変形を抑制することができる。但し、ローラを互いに接触するように配置した場合には、電解質膜２や触媒層９に上記実施形態よりも強い力が作用することとなる。

また、上記各実施形態においては、乾燥炉４０に３つの乾燥ゾーン４１，４２，４３を設けていたが、乾燥ゾーンの分割数は３つに限定されるものではなく、２つであっても良いし、４つ以上であっても良い。いずれであっても、乾燥炉４０が吹き付ける熱風の温度は、吸着ローラ２０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順次に高くなる。

また、隣り合う乾燥ゾーンの間に上記実施形態と同様の熱遮断ゾーンを設けるようにしても良い。このようにすれば、隣り合う乾燥ゾーンから吹き出された熱風の相互干渉を防止することができる。

また、乾燥炉４０によって触媒層９が十分に乾燥される場合には、追加乾燥炉４９は必ずしも設置しなくても良い。

また、乾燥炉４０は、熱風を吹き付けて電極インク層８の乾燥を行うようにしていたが、これに代えて、遠赤外線ヒータなどによって電極インク層８の乾燥を行うようにしても良い。

また、エアー噴出部６０に代えて、異物を吸着する粘着ローラやブラシを吸着ローラ２０の外周面に接触させるように設けても良い。或いは、吸着ローラ２０の外周面に超音波を吹き付けて異物を取り除く機構を設けるようにしても良い。

また、第２プレスローラ５１の内部に冷却水を流し、吸着ローラ２０から第２プレスローラ５１への熱伝導によって吸着ローラ２０の外周面を冷却して除熱するようにしても良い。

また、第２実施形態の製造装置１ａを使用して電解質膜２の片面に形成された触媒層９の位置を特定し、その触媒層９の上に新たな電極インクを塗工して乾燥処理を行うようにしても良い。このようにすれば、第３実施形態と同様に、触媒層９を積層した膜・電極接合体５を製造することができる。

また、本発明に係る製造技術は、燃料電池の膜・電極接合体５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、膨潤・収縮によって容易に変形する薄膜に溶媒を含む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。

本発明は、膨潤・収縮によって容易に変形する薄膜に塗工液と塗工して乾燥させることにより当該薄膜上に機能層を形成する複合膜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・電極接合体の製造に好適である。

１，１ａ，１ｂ 製造装置
２ 電解質膜
５ 膜・電極接合体
６ バックシート
７ 支持フィルム
９ 触媒層
１０ 剥離部
１１ 第１プレスローラ
１２ 電解質膜巻出ローラ
１４ バックシート巻取ローラ
２０ 吸着ローラ
２１ 吸引口
２２ 水冷管
３０，１３０ 塗工ノズル
３５，１３５ 塗工液供給機構
４０ 乾燥炉
４１，４２，４３ 乾燥ゾーン
４４，４５ 熱遮断ゾーン
４９ 追加乾燥炉
５０ 貼付部
５１ 第２プレスローラ
５２ 第３プレスローラ
５５ 支持フィルム巻出ローラ
５６ 接合体巻取ローラ
６０ エアー噴出部
７０ 画像処理ユニット
９０ 制御部

Claims (14)

1. 燃料電池の膜・触媒層接合体の製造装置であって、
   帯状の電解質膜を多孔質体を介して吸着して支持する吸着ローラと、
   バックシートが片面のみに貼り合わされた電解質膜を前記吸着ローラに送り出す巻出ローラと、
   前記巻出ローラから送り出された前記電解質膜が前記吸着ローラに吸着された状態で前記バックシートを剥離する第１ローラと、
   前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜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前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥手段と、
   前記触媒層が形成された前記電解質膜を前記吸着ローラから剥離するとともに、前記電解質膜の片面のみに支持フィルムを押し付けて貼り合わせる第２ローラと、
   を備え、
   前記膜・触媒層接合体の製造工程中には、前記電解質膜が常に、前記バックシート、前記吸着ローラ、前記第２ローラおよび前記支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
2. 請求項１記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記乾燥手段は、前記吸着ローラの外周面の一部を覆うように設けられ、
   前記乾燥手段は、複数の乾燥ゾーンに分割され、
   前記複数の乾燥ゾーンの乾燥温度は、前記電解質膜が搬送される搬送方向の上流側から下流側に向けて順次高くなることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
3. 請求項２記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記乾燥手段は、少なくとも前記搬送方向の最も上流側に熱遮断ゾーンを有することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記支持フィルムが貼り合わされた前記電解質膜を加熱する補助乾燥手段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装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記塗工手段は、スリット状の吐出口を備えるスリットノズルを有することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記吸着ローラを冷却する冷却手段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装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記吸着ローラの外周面にエアーを吹き付ける噴出手段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装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記塗工手段は、前記電解質膜に塗工液を断続的に塗工する間欠塗工を行うことを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
   前記第１ローラが剥離した前記バックシートを前記支持フィルムとして前記電解質膜に貼り合わせることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造装置において、
    前記塗工液は、電極ペーストであることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。
11. 燃料電池の膜・触媒層接合体の製造方法であって、
    バックシートが片面のみに貼り合わされた帯状の電解質膜を吸着ローラに送り出す送出工程と、
    前記電解質膜を多孔質体を介して前記吸着ローラに吸着して支持する吸着支持工程と、
    前記電解質膜が前記吸着ローラに吸着された状態で第１ローラによって前記バックシートを剥離する剥離工程と、
    前記吸着ローラに吸着支持されて搬送される前記電解質膜に塗工液を塗工する塗工工程と、
    前記電解質膜に塗工された前記塗工液を乾燥させて触媒層を形成する乾燥工程と、
    第２ローラにより、前記触媒層が形成された前記電解質膜を前記吸着ローラから剥離するとともに、前記電解質膜の片面のみに支持フィルムを押し付けて貼り合わせる貼付工程と、
    を備え、
    前記膜・触媒層接合体の製造工程中には、前記電解質膜が常に、前記バックシート、前記吸着ローラ、前記第２ローラおよび前記支持フィルムのうち少なくともいずれか一つによって支持されていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
12. 請求項１１記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記塗工工程は、前記電解質膜に塗工液を断続的に塗工する間欠塗工を行うことを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記貼付工程は、前記剥離工程で剥離された前記バックシートを前記支持フィルムとして前記電解質膜に貼り合わせることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。
14. 請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の膜・触媒層接合体の製造方法において、
    前記塗工液は、電極ペーストであることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。

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