JP2017152084A - 膜・電極接合体の製造装置 - Google Patents

膜・電極接合体の製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】膜・電極接合体の製造装置において、メンテナンススペースを確保しながら、装置の高さ寸法を抑えることができるレイアウトを提供する。【解決手段】この膜・電極接合体の製造装置１は、吸着ローラ１０と、多孔質基材供給ローラ２１と、多孔質基材回収ローラ２４と、積層基材供給ローラ３１と、接合体回収ローラ６５と、吸着ローラ１０の周囲に配置された塗布部４０と、塗布部４０のメンテナンスを行うためのメンテナンススペース８０と、を備える。多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４と、メンテナンススペース８０とは、吸着ローラ１０を挟んで互いに水平方向の反対側に配置される。多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４を、吸着ローラ１０の片側にまとめて配置することによって、吸着ローラ１０の反対側に、メンテナンススペース８０を確保できる。また、製造装置１の高さ方向の寸法を抑えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、長尺帯状の電解質膜を搬送しつつ、電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造装置に関する。
近年、自動車や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る。燃料電池は、他の電池と比べて、発電効率が高く環境への負荷が小さ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する。そのうちの１つが、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）である。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が積層された構造を有する。１つのセルは、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むことにより構成される。膜・電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを有する。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方がカソード電極となる。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と、電気化学反応によって電力が発生する。
上記の膜・電極接合体は、典型的には、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）を塗布し、その触媒インクを乾燥させることによって作成される。従来の膜・電極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。
特開２０１３−１６１５５７号公報
特許文献１の製造装置では、吸引ロールの外周面に、多孔質基体を介して、電解質膜が保持される。そして、吸引ロールを回転させることによって、多孔質基体および電解質膜を搬送しつつ、ノズルから触媒インクを吐出することによって、電解質膜の表面に触媒インクを塗布する。このような製造装置では、吸引ロールに対して、複数の基材が搬入・搬出される。したがって、吸引ロールの周囲に、多数のローラが配置される。
また、触媒インクを吐出するためのノズルや配管は、定期的に分解洗浄等のメンテナンスを行う必要がある。このため、吸引ロールの周囲には、多数のローラだけではなく、メンテナンススペースも確保する必要がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、膜・電極接合体の製造装置において、メンテナンススペースを確保しながら、装置の高さ寸法を抑えることができるレイアウト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、長尺帯状の電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造装置であって、外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラと、前記吸着ローラの外周面に向けて、長尺帯状の多孔質基材を繰り出す多孔質基材供給ローラと、前記吸着ローラの外周面から離れた前記多孔質基材を巻き取る多孔質基材回収ローラと、前記吸着ローラの外周面に保持された多孔質基材の表面に向けて、前記電解質膜を繰り出す電解質膜供給ローラと、前記多孔質基材の表面から離れた前記電解質膜を巻き取る電解質膜回収ローラと、前記吸着ローラの周囲において、前記電解質膜の表面に電極材料を塗布する塗布部と、前記塗布部のメンテナンスを行うためのメンテナンススペースと、を備え、前記多孔質基材供給ローラおよび前記多孔質基材回収ローラと、前記メンテナンススペースとが、前記吸着ローラを挟んで互いに水平方向の反対側に配置される。
本願の第２発明は、第１発明の製造装置であって、前記電解質膜供給ローラおよび前記メンテナンススペースが、前記吸着ローラの水平方向の一方側に配置され、前記多孔質基材供給ローラ、前記多孔質基材回収ローラおよび前記電解質膜回収ローラが、前記吸着ローラの水平方向の他方側に配置される。
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、前記電解質膜供給ローラは、一方の面に電極層が形成された電解質膜を繰り出し、前記製造装置は、前記電解質膜供給ローラと前記吸着ローラとの間において、前記電解質膜を案内する複数の搬入ローラをさらに有し、前記複数の搬入ローラのうち、前記電解質膜の前記一方の面側に配置される搬入ローラの数は、前記電解質膜の他方の面側に配置される搬入ローラの数よりも少ない。
本願の第４発明は、第１発明ないし第３発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記メンテナンススペースは、前記電解質膜供給ローラと前記吸着ローラとの間に位置し、前記電解質膜供給ローラから繰り出された前記電解質膜が、前記メンテナンススペースの下を通る。
本願の第５発明は、第１発明ないし第４発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記多孔質基材供給ローラと前記多孔質基材回収ローラとが、同一の高さで隣接配置される。
本願の第６発明は、第１発明ないし第５発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記電解質膜供給ローラは、前記電解質膜および第１支持フィルムの少なくとも２層を有する積層基材を繰り出し、前記製造装置は、前記吸着ローラの手前において、前記電解質膜から剥離された前記第１支持フィルムを巻き取る第１支持フィルム回収ローラをさらに備え、前記電解質膜供給ローラと前記第１支持フィルム回収ローラとが、前記吸着ローラの水平方向の同じ側に配置される。
本願の第７発明は、第６発明の製造装置であって、前記電解質膜供給ローラと前記第１支持フィルム回収ローラとが、同一の高さで隣接配置される。
本願の第８発明は、第１発明ないし第７発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記電極材料が塗布された前記電解質膜の表面に、第２支持フィルムを貼り付けるラミネートローラと、前記ラミネートローラへ向けて前記第２支持フィルムを繰り出す第２支持フィルム供給ローラと、をさらに備え、前記電解質膜回収ローラと前記第２支持フィルム供給ローラとが、前記吸着ローラの水平方向の同じ側に配置される。
本願の第９発明は、第８発明の製造装置であって、前記電解質膜回収ローラと前記第２支持フィルム供給ローラとが、同一の高さで隣接配置される。
本願の第１０発明は、第１発明ないし第９発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記電解質膜供給ローラと前記電解質膜回収ローラとが、同一の高さに配置される。
本願の第１１発明は、第１発明ないし第１０発明のいずれか１発明の製造装置であって、前記多孔質基材供給ローラ、前記多孔質基材回収ローラ、前記電解質膜供給ローラおよび前記電解質膜回収ローラは、いずれも、前記吸着ローラよりも低い位置に配置される。
本願の第１発明〜第１１発明によれば、多孔質基材供給ローラと、多孔質基材回収ローラとを、吸着ローラの片側にまとめて配置することによって、吸着ローラの反対側に、メンテナンススペースを確保できる。また、多孔質基材供給ローラ、多孔質基材回収ローラおよびメンテナンススペースを、全て吸着ローラの片側に配置する場合よりも、製造装置の高さ方向の寸法を抑えることができる。
特に、本願の第２発明によれば、駆動部である多孔質基材供給ローラおよび多孔質基材回収ローラを、塗布処理前の電解質膜から遠ざけることができる。このため、多孔質基材供給ローラまたは多孔質基材回収ローラから粉塵が発生したとしても、その粉塵が、塗布処理前の電解質膜に付着することを抑制できる。
特に、本願の第３発明によれば、電解質膜の一方の面に既に形成された電極層に、搬入ローラが接触する回数を少なくして、電極層の損傷や粉塵の付着を抑制できる。
特に、本願の第５発明によれば、多孔質基材供給ローラと多孔質基材回収ローラとを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置の高さ方向の寸法を抑制できる。また、多孔質基材供給ローラおよび多孔質基材回収ローラのそれぞれにおいて、基材の交換作業を行いやすい。
特に、本願の第７発明によれば、電解質膜供給ローラと第１支持フィルム回収ローラとを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置の高さ方向の寸法を抑制できる。また、電解質膜供給ローラおよび第１支持フィルム回収ローラのそれぞれにおいて、基材の交換作業を行いやすい。
特に、本願の第９発明によれば、電解質膜回収ローラと第２支持フィルム供給ローラとを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置の高さ方向の寸法を抑制できる。また、電解質膜回収ローラおよび第２支持フィルム供給ローラのそれぞれにおいて、基材の交換作業を行いやすい。
特に、本願の第１０発明によれば、電解質膜供給ローラと電解質膜回収ローラとを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置の高さ方向の寸法を抑制できる。また、電解質膜供給ローラおよび電解質膜回収ローラのそれぞれにおいて、基材の交換作業を行いやすい。
特に、本願の第１１発明によれば、駆動部である多孔質基材供給ローラ、多孔質基材回収ローラ、電解質膜供給ローラおよび電解質膜回収ローラから粉塵が発生したとしても、その粉塵が吸着ローラの周囲へ飛散しにくい。
膜・電極接合体の製造装置の構成を示した図である。 吸着ローラの下部付近の拡大図である。 制御部と各部との接続を示したブロック図である。 製造装置のレイアウトを概念的に示した図である。 変形例に係る製造装置のレイアウトを概念的に示した図である。
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・電極接合体の製造装置１の構成を示した図である。この製造装置１は、長尺帯状の基材である電解質膜の表面に、電極層を形成して、固体高分子形燃料電池用の膜・電極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・電極接合体の製造装置１は、吸着ローラ１０、多孔質基材供給回収部２０、電解質膜供給部３０、塗布部４０、乾燥炉５０、接合体回収部６０および制御部７０を備えている。
吸着ローラ１０は、多孔質基材９１および電解質膜９２を吸着保持しつつ回転するローラである。吸着ローラ１０は、複数の吸着孔を有する円筒状の外周面を有する。吸着ローラ１０の直径は、例えば、２００ｍｍ〜１６００ｍｍとされる。図２は、吸着ローラ１０の下部付近の拡大図である。図２中に破線で示したように、吸着ローラ１０には、モータ等の駆動源を有する回転駆動部１１が接続される。回転駆動部１１を動作させると、吸着ローラ１０は、水平に延びる軸心周りに回転する。
吸着ローラ１０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（Ａｌ２Ｏ３）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１０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。
なお、吸着ローラ１０の材料に、多孔質材料に代えて、金属を用いてもよい。金属の具体例としては、ＳＵＳ等のステンレスまたは鉄を挙げることができる。吸着ローラ１０の材料に金属を用いる場合には、吸着ローラ１０の外周面に、微小な吸着孔を、加工により形成すればよい。吸着孔の直径は、吸着痕の発生を防止するために、２ｍｍ以下とすることが好ましい。
吸着ローラ１０の端面には、吸引口１２が設けられている。吸引口１２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１０の吸引口１２に負圧が生じる。そして、吸着ローラ１０内の気孔を介して、吸着ローラ１０の外周面に設けられた複数の吸着孔にも、負圧が発生する。多孔質基材９１および電解質膜９２は、当該負圧によって、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって円弧状に搬送される。
また、図２中に破線で示すように、吸着ローラ１０の内部には、複数の水冷管１３が設けられている。水冷管１３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１０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１０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。
なお、後述する乾燥炉５０に代えて、吸着ローラ１０の内部に、温水循環機構やヒータなどの加熱機構が設けられていてもよい。その場合、吸着ローラ１０の内部に水冷管を設けず、吸着ローラ１０の内部に設けられた加熱機構を制御することによって、吸着ローラ１０の外周面の温度を制御してもよい。
多孔質基材供給回収部２０は、長尺帯状の多孔質基材９１を吸着ローラ１０へ向けて供給するとともに、使用後の多孔質基材９１を回収する部位である。多孔質基材９１は、多数の微細な気孔を有する通気可能な基材である。多孔質基材９１は、粉塵が発生しにくい材料で形成されていることが好ましい。図１に示すように、多孔質基材供給回収部２０は、多孔質基材供給ローラ２１、複数の多孔質基材搬入ローラ２２、複数の多孔質基材搬出ローラ２３および多孔質基材回収ローラ２４を有する。多孔質基材供給ローラ２１、複数の多孔質基材搬入ローラ２２、複数の多孔質基材搬出ローラ２３および多孔質基材回収ローラ２４は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。
供給前の多孔質基材９１は、多孔質基材供給ローラ２１に巻き付けられている。多孔質基材供給ローラ２１は、図示を省略したモータの動力により回転する。多孔質基材供給ローラ２１が回転すると、多孔質基材９１は、多孔質基材供給ローラ２１から繰り出される。繰り出された多孔質基材９１は、複数の多孔質基材搬入ローラ２２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、吸着ローラ１０の外周面まで搬送される。そして、多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。なお、図２では、理解容易のため、吸着ローラ１０と、吸着ローラ１０に保持される多孔質基材９１とが、間隔を空けて図示されている。
多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の軸心を中心として、１８０°以上、好ましくは２７０°以上搬送される。その後、多孔質基材９１は、吸着ローラ１０の外周面から離れる。吸着ローラ１０から離れた多孔質基材９１は、複数の多孔質基材搬出ローラ２３により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、多孔質基材回収ローラ２４まで搬送される。多孔質基材回収ローラ２４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、使用後の多孔質基材９１が、多孔質基材回収ローラ２４に巻き取られる。
電解質膜供給部３０は、電解質膜９２および第１支持フィルム９３の２層で構成される積層基材９４を、吸着ローラ１０の周囲へ供給するとともに、電解質膜９２から第１支持フィルム９３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。
第１支持フィルム９３は、電解質膜９２の変形を抑制するためのフィルムである。第１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。第１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。第１支持フィルム９３の膜厚は、例えば２５μｍ〜１００μｍとされる。
図１に示すように、電解質膜供給部３０は、積層基材供給ローラ３１（電解質膜供給ローラ）、複数の積層基材搬入ローラ３２、剥離ローラ３３、複数の第１支持フィルム搬出ローラ３４および第１支持フィルム回収ローラ３５を有する。積層基材供給ローラ３１、複数の積層基材搬入ローラ３２、剥離ローラ３３、複数の第１支持フィルム搬出ローラ３４および第１支持フィルム回収ローラ３５は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。
供給前の積層基材９４は、第１支持フィルム９３が外側となるように、積層基材供給ローラ３１に巻き付けられている。本実施形態では、電解質膜９２の、第１支持フィルム９３とは反対側の面（以下、「第１面」と称する）に、予め電極層（以下、「第１電極層９ａ」と称する）が形成されている。第１電極層９ａは、この製造装置１とは別の装置において、第１支持フィルム９３および電解質膜９２の２層で構成される積層基材９４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の第１面に電極材料を間欠塗布し、塗布された電極材料を乾燥させることによって形成される。
積層基材供給ローラ３１は、図示を省略したモータの動力により回転する。積層基材供給ローラ３１が回転すると、積層基材９４は、積層基材供給ローラ３１から繰り出される。繰り出された積層基材９４は、複数の積層基材搬入ローラ３２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、剥離ローラ３３まで搬送される。
剥離ローラ３３は、電解質膜９２から第１支持フィルム９３を剥離するためのローラである。剥離ローラ３３は、吸着ローラ１０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。剥離ローラ３３の少なくとも外周面は、弾性体により形成される。剥離ローラ３３は、吸着ローラ１０に対する多孔質基材９１の導入位置よりも、吸着ローラ１０の回転方向のやや下流側において、吸着ローラ１０に隣接配置されている。また、剥離ローラ３３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。
図２に示すように、複数の積層基材搬入ローラ３２により搬入される積層基材９４は、吸着ローラ１０と剥離ローラ３３との間へ導入される。このとき、電解質膜９２の第１面は、第１電極層９ａとともに、吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９１の表面に接触し、第１支持フィルム９３は、剥離ローラ３３の外周面に接触する。また、積層基材９４は、剥離ローラ３３から受ける圧力で、吸着ローラ１０側へ押し付けられる。吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９１の表面には、吸着ローラ１０からの吸引力によって、負圧が生じる。電解質膜９２は、当該負圧によって、多孔質基材９１の表面に吸着される。そして、電解質膜９２は、多孔質基材９１とともに吸着ローラ１０に保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。なお、図２では、理解容易のため、吸着ローラ１０に保持される多孔質基材９１と電解質膜９２とが、間隔を空けて図示されている。
このように、本実施形態では、吸着ローラ１０の外周面と電解質膜９２との間に、多孔質基材９１を介在させる。このため、吸着ローラ１０の外周面と、電解質膜９２の第１面に形成された第１電極層９ａとは、直接接触しない。したがって、第１電極層９ａの一部が吸着ローラ１０の外周面に付着したり、吸着ローラ１０の外周面から電解質膜９２へ異物が転載されたりすることを、防止できる。
一方、吸着ローラ１０と剥離ローラ３３との間を通過した第１支持フィルム９３は、吸着ローラ１０から離れて、複数の第１支持フィルム搬出ローラ３４側へ搬送される。これにより、電解質膜９２から第１支持フィルム９３が剥離される。その結果、電解質膜９２の第１面とは反対側の面（以下、「第２面」と称する）が露出する。剥離された第１支持フィルム９３は、複数の第１支持フィルム搬出ローラ３４により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、第１支持フィルム回収ローラ３５まで搬送される。第１支持フィルム回収ローラ３５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、第１支持フィルム９３が、第１支持フィルム回収ローラ３５に巻き取られる。
塗布部４０は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９２の表面に電極材料を塗布する機構である。電極材料には、例えば、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が用いられる。図１に示すように、塗布部４０はノズル４１を有する。ノズル４１は、吸着ローラ１０による電解質膜９２の搬送方向において、剥離ローラ３３よりも下流側に設けられている。ノズル４１は、吸着ローラ１０の外周面に対向する吐出口４１１を有する。吐出口４１１は、吸着ローラ１０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。
ノズル４１は、図示を省略した電極材料供給源と接続されている。塗布部４０を駆動させると、電極材料供給源から配管を通ってノズル４１に、電極材料が供給される。そして、ノズル４１の吐出口４１１から電解質膜９２の第２面に向けて、電極材料が吐出される。これにより、電解質膜９２の第２面に、電極材料が塗布される。
本実施形態では、ノズル４１に接続されるバルブを一定の周期で開閉することによって、ノズル４１の吐出口４１１から、電極材料を断続的に吐出する。これにより、電解質膜９２の第２面に、電極材料を搬送方向に一定の間隔で間欠塗布する。ただし、バルブを連続的に開放して、電解質膜９２の第２面に、搬送方向に切れ目無く電極材料を塗布してもよい。
なお、電極材料中の触媒粒子には、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、白金化合物等の粒子を、触媒粒子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る少なくとも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、カソード用の電極材料には白金が用いられ、アノード用の電極材料には白金合金が用いられる。ノズル４１から吐出される電極材料は、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電極層９ａ，９ｂには、互いに逆極性の電極材料が用いられる。
塗布部４０のノズル４１や配管は、定期的に分解洗浄等のメンテナンスを行う必要がある。このため、この製造装置１は、塗布部４０のメンテナンスを行うためのメンテナンススペース８０を有する。本実施形態では、塗布部４０と第１支持フィルム回収ローラ３５との間に、メンテナンススペース８０が配置されている。塗布部４０のメンテナンスを行うときには、メンテナンススペース８０に設けられた足場８０１の上に作業者８９が立って、塗布部４０を構成する部品の洗浄等を行う。
乾燥炉５０は、電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料を乾燥させる部位である。本実施形態の乾燥炉５０は、吸着ローラ１０による電解質膜９２の搬送方向において、塗布部４０よりも下流側に配置されている。また、乾燥炉５０は、吸着ローラ１０の外周面に沿って、円弧状に設けられている。乾燥炉５０は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９２の第２面に、加熱された気体（熱風）を吹き付ける。そうすると、電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料が加熱され、電極材料中の溶剤が気化する。これにより、電極材料が乾燥して、電解質膜９２の第２面に電極層（以下、「第２電極層９ｂ」と称する）が形成される。その結果、電解質膜９２、第１電極層９ａおよび第２電極層９ｂで構成される膜・電極接合体９５が得られる。
接合体回収部６０は、膜・電極接合体９５に第２支持フィルム９６を貼り付けて、膜・電極接合体９５を回収する部位である。図１に示すように、接合体回収部６０は、第２支持フィルム供給ローラ６１、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、複数の接合体搬出ローラ６４および接合体回収ローラ６５（電解質膜回収ローラ）を有する。第２支持フィルム供給ローラ６１、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、複数の接合体搬出ローラ６４および接合体回収ローラ６５は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。
供給前の第２支持フィルム９６は、第２支持フィルム供給ローラ６１に巻き付けられている。第２支持フィルム供給ローラ６１は、図示を省略したモータの動力により回転する。第２支持フィルム供給ローラ６１が回転すると、第２支持フィルム９６は、第２支持フィルム供給ローラ６１から繰り出される。繰り出された第２支持フィルム９６は、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、ラミネートローラ６３まで搬送される。
第２支持フィルム９６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。第２支持フィルム９６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。第２支持フィルム９６の膜厚は、例えば２５μｍ〜１００μｍとされる。第２支持フィルム９６は、第１支持フィルム９３と同じものであってもよい。また、第１支持フィルム回収ローラ３５に巻き取られた第１支持フィルム９３を、第２支持フィルム９６として第２支持フィルム供給ローラ６１から繰り出すようにしてもよい。
ラミネートローラ６３は、膜・電極接合体９５に第２支持フィルム９６を貼り付けるためのローラである。ラミネートローラ６３の材料には、例えば、耐熱性の高いゴムが用いられる。ラミネートローラ６３は、吸着ローラ１０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６３は、吸着ローラ１０の回転方向において、乾燥炉５０よりも下流側、かつ、吸着ローラ１０から多孔質基材９１が離れる位置よりも上流側において、吸着ローラ１０に隣接配置されている。また、ラミネートローラ６３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。
図２に示すように、ラミネートローラ６３の内部には、通電により発熱するヒータ６３１が設けられている。ヒータ６３１には、例えば、シーズヒータが用いられる。ヒータ６３１に通電すると、ヒータ６３１から生じる熱によって、ラミネートローラ６３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６３の外周面の温度を放射温度計等の温度センサを用いて測定し、その測定結果に基づいて、ラミネートローラ６３の外周面が一定の温度となるように、ヒータ６３１の出力を制御してもよい。
複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２により搬入される第２支持フィルム９６は、図２に示すように、吸着ローラ１０の周囲において搬送される膜・電極接合体９５とラミネートローラ６３との間へ導入される。このとき、第２支持フィルム９６は、ラミネートローラ６３からの圧力により、膜・電極接合体９５に押し付けられるとともに、ラミネートローラ６３の熱により加熱される。その結果、電解質膜９２の第２面に、第２支持フィルム９６が貼り付けられる。電解質膜９２の第２面に形成された第２電極層９ｂは、電解質膜９２と第２支持フィルム９６との間に挟まれる。
吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間を通過した第２支持フィルム９６付きの膜・電極接合体９５は、吸着ローラ１０から離れる方向へ搬送される。これにより、多孔質基材９１から膜・電極接合体９５が剥離される。
また、本実施形態では、ラミネートローラ６３の近傍に、押圧ローラ６３２が配置されている。押圧ローラ６３２は、吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間の隙間よりも、膜・電極接合体９５の搬送方向下流側において、ラミネートローラ６３に隣接配置されている。また、押圧ローラ６３２は、図示を省略したエアシリンダによって、ラミネートローラ６３側へ加圧されている。多孔質基材９１から離れた第２支持フィルム９６付きの膜・電極接合体９５は、続いて、ラミネートローラ６３と押圧ローラ６３２との間を通過する。これにより、電解質膜９２の第２面に対する第２支持フィルム９６の密着性が向上する。
その後、第２支持フィルム９６付きの膜・電極接合体９５は、複数の接合体搬出ローラ６４により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、接合体回収ローラ６５まで搬送される。接合体回収ローラ６５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、第２支持フィルム９６付きの膜・電極接合体９５が、第２支持フィルム９６が外側となるように、接合体回収ローラ６５に巻き取られる。
このように、本実施形態の製造装置１では、積層基材供給ローラ３１からの積層基材９４の繰り出し、電解質膜９２からの第１支持フィルム９３の剥離、電解質膜９２への電極材料の塗布、乾燥炉５０による乾燥、電解質膜９２への第２支持フィルム９６の貼り付け、接合体回収ローラ６５への膜・電極接合体９５の巻取り、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・電極接合体９５が製造される。電解質膜９２は、第１支持フィルム９３、吸着ローラ１０、または第２支持フィルム９６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３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３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、膜・電極接合体の製造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、上述した吸着ローラ１０の回転駆動部１１、吸着ローラ１０の吸引機構、多孔質基材供給ローラ２１のモータ、多孔質基材回収ローラ２４のモータ、積層基材供給ローラ３１のモータ、剥離ローラ３３のエアシリンダ、第１支持フィルム回収ローラ３５のモータ、塗布部４０、乾燥炉５０、第２支持フィルム供給ローラ６１のモータ、ラミネートローラ６３のエアシリンダ、ラミネートローラ６３のヒータ６３１、押圧ローラ６３２のエアシリンダおよび接合体回収ローラ６５のモータと、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・電極接合体の製造処理が進行する。
＜２．複数のローラおよびメンテナンススペースのレイアウトについて＞
続いて、上述した製造装置１における、複数のローラおよびメンテナンススペースのレイアウトについて、説明する。図４は、この製造装置１のレイアウトを、概念的に示した図である。
図４に示すように、この製造装置１では、積層基材供給ローラ３１、第１支持フィルム回収ローラ３５およびメンテナンススペース８０が、吸着ローラ１０よりも、水平方向（吸着ローラ１０の軸心に対して垂直な水平方向）の一方側の空間（以下、「上流側空間８１」と称する）に配置されている。また、多孔質基材供給ローラ２１、多孔質基材回収ローラ２４、第２支持フィルム供給ローラ６１および接合体回収ローラ６５が、吸着ローラ１０よりも、水平方向の他方側の空間（以下、「下流側空間８２」と称する）に配置されている。
すなわち、この製造装置１では、多孔質基材供給ローラ２１と、多孔質基材回収ローラ２４とが、吸着ローラ１０の片側の空間である下流側空間８２に、まとめて配置されている。これにより、吸着ローラ１０を挟んで反対側の上流側空間８１に、広いメンテナンススペース８０を確保することが、可能となっている。また、多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４と、メンテナンススペース８０とを、互いに反対側の空間に配置することによって、これらを全て片側の空間に配置する場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を抑えることができる。
特に、この製造装置１では、積層基材供給ローラ３１が配置される上流側空間８１に、メンテナンススペース８０が配置されている。そして、接合体回収ローラ６５が配置される下流側空間８２に、多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４が配置されている。これにより、駆動部である多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４が、塗布処理前の電解質膜９２から遠ざけられている。このため、仮に、多孔質基材供給ローラ２１または多孔質基材回収ローラ２４から粉塵が発生したとしても、その粉塵が、塗布処理前の電解質膜９２に付着することを抑制できる。
また、この製造装置１では、メンテナンススペース８０が、積層基材供給ローラ３１および第１支持フィルム回収ローラ３５と、吸着ローラ１０との間に位置する。そして、積層基材供給ローラ３１から繰り出された積層基材９４と、剥離後の第１支持フィルム９３とが、いずれも、メンテナンススペース８０の足場８０１の下を通る。このようにすれば、積層基材９４および第１支持フィルム９３がメンテナンススペース８０の上側を通る場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を、より抑制できる。
また、上述の通り、この製造装置１では、積層基材供給ローラ３１から繰り出される電解質膜９２の第１面に、既に第１電極層９ａが形成されている。このため、図１に示すように、複数の積層基材搬入ローラ３２のうち、電解質膜９２の第１面側に配置される積層基材搬入ローラ３２の数は、電解質膜９２の第２面側に配置される積層基材搬入ローラ３２の数よりも、少なくしている。これにより、電解質膜９２の第１面に既に形成された第１電極層９ａに、積層基材搬入ローラ３２が接触する回数を少なくしている。その結果、第１電極層９ａの損傷や、第１電極層９ａへの粉塵の付着が抑制されている。
また、図１に示すように、この製造装置１では、複数の接合体搬出ローラ６４は、全て、電解質膜９２の第２面側に配置されている。すなわち、複数の接合体搬出ローラ６４は、全て、第２支持フィルム９６に接触する。これにより、第２支持フィルム９６に保護されていない電解質膜９２の第１面や、第１面に形成された第１電極層９ａが、接合体搬出ローラ６４により損傷したり、第１電極層９ａに粉塵が付着したりすることが、抑制されている。
また、図４に示すように、この製造装置１では、積層基材供給ローラ３１と第１支持フィルム回収ローラ３５とが、同一の高さｈ１で隣接配置されている。このようにすれば、積層基材供給ローラ３１と第１支持フィルム回収ローラ３５とを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を抑制できる。また、積層基材供給ローラ３１における積層基材９４の交換作業と、第１支持フィルム回収ローラ３５における第１支持フィルム９３の交換作業とに、同一の搬送装置を用いることができる。したがって、これらの交換作業を行いやすい。
また、この製造装置１では、第２支持フィルム供給ローラ６１と接合体回収ローラ６５とが、同一の高さｈ１で隣接配置されている。このようにすれば、第２支持フィルム供給ローラ６１と接合体回収ローラ６５とを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を抑制できる。また、第２支持フィルム供給ローラ６１における第２支持フィルム９６の交換作業と、接合体回収ローラ６５における膜・電極接合体９５の交換作業とに、同一の搬送装置を用いることができる。したがって、これらの交換作業を行いやすい。
また、この製造装置１では、多孔質基材供給ローラ２１と多孔質基材回収ローラ２４とが、同一の高さｈ２で隣接配置されている。このようにすれば、多孔質基材供給ローラ２１と多孔質基材回収ローラ２４とを異なる高さに配置する場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を抑制できる。また、多孔質基材供給ローラ２１における多孔質基材９１の交換作業と、多孔質基材回収ローラ２４における多孔質基材９１の交換作業とに、同一の搬送装置を用いることができる。したがって、これらの交換作業を行いやすい。
さらに、この製造装置１では、積層基材供給ローラ３１および第１支持フィルム回収ローラ３５と、第２支持フィルム供給ローラ６１と接合体回収ローラ６５とが、同一の高さに配置されている。このようにすれば、これらの４つのローラを互いに異なる高さに配置する場合よりも、製造装置１の高さ方向の寸法を抑制できる。また、これらの４つのローラにおける基材の交換作業に、同一の搬送装置を用いることができる。したがって、これらの交換作業を行いやすい。
また、この製造装置１では、多孔質基材供給ローラ２１、多孔質基材回収ローラ２４、積層基材供給ローラ３１、第１支持フィルム回収ローラ３５、第２支持フィルム供給ローラ６１および接合体回収ローラ６５が、いずれも、吸着ローラ１０よりも低い位置に配置されている。このようにすれば、駆動部である多孔質基材供給ローラ２１、多孔質基材回収ローラ２４、積層基材供給ローラ３１、第１支持フィルム回収ローラ３５、第２支持フィルム供給ローラ６１および接合体回収ローラ６５から粉塵が発生したとしても、その粉塵が吸着ローラ１０の周囲へ飛散しにくい。したがって、電極材料の塗布処理において、不良が発生する虞を抑制できる。
さらに、この製造装置１では、図１に示すように、複数の多孔質基材搬入ローラ２２、複数の多孔質基材搬出ローラ２３、複数の積層基材搬入ローラ３２、複数の第１支持フィルム搬出ローラ３４、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２、および複数の接合体搬出ローラ６４も、全て、吸着ローラ１０よりも低い位置に配置されている。このようにすれば、駆動部であるこれらのローラから粉塵が発生したとしても、その粉塵が吸着ローラ１０の周囲へ飛散しにくい。したがって、電極材料の塗布処理において、不良が発生する虞を、より抑制できる。
＜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。
図５は、一変形例に係る製造装置１ａのレイアウトを、概念的に示した図である。図５の例では、多孔質基材供給ローラ２１、多孔質基材回収ローラ２４、積層基材供給ローラ３１および第１支持フィルム回収ローラ３５が、上流側空間８１に配置されている。また、第２支持フィルム供給ローラ６１、接合体回収ローラ６５およびメンテナンススペース８０が、下流側空間８２に配置されている。
図５の例では、多孔質基材供給ローラ２１と、多孔質基材回収ローラ２４とが、吸着ローラ１０の片側の空間である上流側空間８１に、まとめて配置されている。これにより、吸着ローラ１０を挟んで反対側の下流側空間８２に、メンテナンススペース８０を確保することが可能となっている。また、多孔質基材供給ローラ２１および多孔質基材回収ローラ２４と、メンテナンススペース８０とを、互いに反対側の空間に配置することによって、これらを全て片側の空間に配置する場合よりも、製造装置１ａの高さ方向の寸法を抑えることができる。
また、上記の実施形態では、一方の面に予め第１電極層９ａが形成された電解質膜９２の他方の面に、第２電極層９ｂ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電極層が形成されていない電解質膜に対して、電極層を形成するものであってもよい。
また、上記の実施形態では、電解質膜供給ローラとしての積層基材供給ローラ３１から、電解質膜９２および第１支持フィルム９３の２層で構成される積層基材９４を供給する場合について説明した。しかしながら、本発明における電解質膜供給ローラは、第１支持フィルム９３が貼り付けられていない電解質膜９２を繰り出すものであってもよい。
また、上記の実施形態では、電解質膜回収ローラとしての接合体回収ローラ６５が、第２支持フィルム９６付きの電解質膜９２を巻き取る場合について説明した。しかしながら、本発明における電解質膜回収ローラは、第２支持フィルム９６が貼り付けられていない電解質膜９２を巻き取るものであってもよい。
また、製造装置の細部の構成については、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。
１，１ａ 製造装置
９ａ 第１電極層
９ｂ 第２電極層
１０ 吸着ローラ
２０ 多孔質基材供給回収部
２１ 多孔質基材供給ローラ
２２ 多孔質基材搬入ローラ
２３ 多孔質基材搬出ローラ
２４ 多孔質基材回収ローラ
３０ 電解質膜供給部
３１ 積層基材供給ローラ
３２ 積層基材搬入ローラ
３３ 剥離ローラ
３４ 第１支持フィルム搬出ローラ
３５ 第１支持フィルム回収ローラ
４０ 塗布部
４１ ノズル
５０ 乾燥炉
６０ 接合体回収部
６１ 第２支持フィルム供給ローラ
６２ 第２支持フィルム搬入ローラ
６３ ラミネートローラ
６４ 接合体搬出ローラ
６５ 接合体回収ローラ
７０ 制御部
８０ メンテナンススペース
８１ 上流側空間
８２ 下流側空間
８９ 作業者
９１ 多孔質基材
９２ 電解質膜
９３ 第１支持フィルム
９４ 積層基材
９５ 膜・電極接合体
９６ 第２支持フィルム

Claims (11)

  1. 長尺帯状の電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜の表面に電極層を形成する膜・電極接合体の製造装置であって、
    外周面に負圧を発生させつつ回転する吸着ローラと、
    前記吸着ローラの外周面に向けて、長尺帯状の多孔質基材を繰り出す多孔質基材供給ローラと、
    前記吸着ローラの外周面から離れた前記多孔質基材を巻き取る多孔質基材回収ローラと、
    前記吸着ローラの外周面に保持された多孔質基材の表面に向けて、前記電解質膜を繰り出す電解質膜供給ローラと、
    前記多孔質基材の表面から離れた前記電解質膜を巻き取る電解質膜回収ローラと、
    前記吸着ローラの周囲において、前記電解質膜の表面に電極材料を塗布する塗布部と、
    前記塗布部のメンテナンスを行うためのメンテナンススペースと、
    を備え、
    前記多孔質基材供給ローラおよび前記多孔質基材回収ローラと、前記メンテナンススペースとが、前記吸着ローラを挟んで互いに水平方向の反対側に配置される膜・電極接合体の製造装置。
  2. 請求項１に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜供給ローラおよび前記メンテナンススペースが、前記吸着ローラの水平方向の一方側に配置され、
    前記多孔質基材供給ローラ、前記多孔質基材回収ローラおよび前記電解質膜回収ローラが、前記吸着ローラの水平方向の他方側に配置される製造装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜供給ローラは、一方の面に電極層が形成された電解質膜を繰り出し、
    前記製造装置は、
    前記電解質膜供給ローラと前記吸着ローラとの間において、前記電解質膜を案内する複数の搬入ローラ
    をさらに有し、
    前記複数の搬入ローラのうち、前記電解質膜の前記一方の面側に配置される搬入ローラの数は、前記電解質膜の他方の面側に配置される搬入ローラの数よりも少ない製造装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記メンテナンススペースは、前記電解質膜供給ローラと前記吸着ローラとの間に位置し、
    前記電解質膜供給ローラから繰り出された前記電解質膜が、前記メンテナンススペースの下を通る製造装置。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記多孔質基材供給ローラと前記多孔質基材回収ローラとが、同一の高さで隣接配置される製造装置。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜供給ローラは、前記電解質膜および第１支持フィルムの少なくとも２層を有する積層基材を繰り出し、
    前記製造装置は、
    前記吸着ローラの手前において、前記電解質膜から剥離された前記第１支持フィルムを巻き取る第１支持フィルム回収ローラ
    をさらに備え、
    前記電解質膜供給ローラと前記第１支持フィルム回収ローラとが、前記吸着ローラの水平方向の同じ側に配置される製造装置。
  7. 請求項６に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜供給ローラと前記第１支持フィルム回収ローラとが、同一の高さで隣接配置される製造装置。
  8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記電極材料が塗布された前記電解質膜の表面に、第２支持フィルムを貼り付けるラミネートローラと、
    前記ラミネートローラへ向けて前記第２支持フィルムを繰り出す第２支持フィルム供給ローラと、
    をさらに備え、
    前記電解質膜回収ローラと前記第２支持フィルム供給ローラとが、前記吸着ローラの水平方向の同じ側に配置される製造装置。
  9. 請求項８に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜回収ローラと前記第２支持フィルム供給ローラとが、同一の高さで隣接配置される製造装置。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記電解質膜供給ローラと前記電解質膜回収ローラとが、同一の高さに配置される製造装置。
  11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の製造装置であって、
    前記多孔質基材供給ローラ、前記多孔質基材回収ローラ、前記電解質膜供給ローラおよび前記電解質膜回収ローラは、いずれも、前記吸着ローラよりも低い位置に配置される製造装置。
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