JP2018030108A - 塗工装置および塗工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】塗工液を吐出するノズルに、塗工液から気化した溶媒が凝集することを抑制できる塗工装置および塗工方法を提供する。【解決手段】この塗工装置は、基材を保持するバックアップローラ１０と、バックアップローラ１０を回転させる駆動部と、バックアップローラ１０に保持された基材の表面に向けて塗工液を吐出するノズル４１と、基材の表面に塗布された塗工液を加熱する加熱部と、を備える。また、この塗工装置は、ノズル４１の吐出口４１１の近傍に気体を吹き付ける気体吹付部４２をさらに備える。このため、吐出口４１１の近傍において塗工液から溶媒が気化しても、当該溶媒の蒸気を含む気体は、気体吹付部４２から吐出される気体に置換される。したがって、塗工液から気化した溶媒が、ノズル４１の吐出口４１１付近に凝集することを抑制できる。その結果、溶媒の凝集に起因する塗工液の吐出不良を抑制できる。【選択図】図４

Description

本発明は、長尺帯状の基材を搬送しつつ、基材の表面に塗工液を塗布する塗工装置および塗工方法に関する。
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・電極接合体の製造時には、複数の吸着孔を有する吸着ローラの外周面に、帯状の基材である電解質膜が吸着保持される。そして、吸着ローラに保持された電解質膜の表面に、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）が塗布される。その後、触媒インクを乾燥させることにより、電極層が形成される。
ローラの外周面に帯状の基材を保持しつつ塗工液を塗布する従来の装置については、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２００１−７０８６３号公報
特許文献１に記載の装置では、吸引加熱ローラに吸着させたウェブ状の薄膜の表面に液体状の触媒インクを塗布し、加熱により当該触媒インクを加熱乾燥する（段落００３０）。この種の装置では、触媒インク等の塗工液を加熱乾燥する際に発生する溶媒の蒸気が、塗工液を吐出するノズルに接触して、ノズルに溶媒が凝集する可能性がある。そして、ノズルに溶媒の液滴が付着すると、塗工液の吐出不良が発生しやすくなる。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、塗工液を吐出するノズルに、塗工液から気化した溶媒が凝集することを抑制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、長尺帯状の基材を搬送しつつ、前記基材の表面に塗工液を塗布する塗工装置であって、前記基材を保持する円筒状の外周面を有するバックアップローラと、前記バックアップローラを回転させる駆動部と、前記バックアップローラに保持された前記基材の表面に向けて、前記塗工液を吐出する吐出口を有するノズルと、前記バックアップローラに保持された前記基材の表面に塗布された前記塗工液を加熱する加熱部と、前記吐出口の近傍に気体を吹き付ける気体吹付部と、を備える。
本願の第２発明は、第１発明の塗工装置であって、前記気体吹付部は、少なくとも、前記吐出口に対して、前記バックアップローラの回転方向下流側に隣接する空間に、気体を吹き付ける。
本願の第３発明は、第１発明または第２発明の塗工装置であって、前記吐出口は、前記基材の幅方向に延びるスリット状の開口であり、前記気体吹付部は、前記吐出口の幅方向の範囲の全体に対して前記気体を吹き付ける。
本願の第４発明は、第３発明の塗工装置であって、前記気体吹付部は、前記吐出口に沿って前記気体を吹き付ける。
本願の第５発明は、第１発明ないし第４発明のいずれかの塗工装置であって、前記加熱部は、前記バックアップローラの内部から、前記バックアップローラの外周面を介して前記基材を加熱する。
本願の第６発明は、第１発明ないし第５発明のいずれかの塗工装置であって、前記気体吹付部から吹き付けられる気体は、クリーンドライエアまたは不活性ガスである。
本願の第７発明は、第１発明ないし第６発明のいずれかの塗工装置であって、前記基材は、電解質膜であり、前記塗工液は、電極材料である。
本願の第８発明は、長尺帯状の基材を搬送しつつ、前記基材の表面に塗工液を塗布する塗工方法であって、円筒状のバックアップローラの外周面に保持された前記基材を、前記バックアップローラの回転により搬送しながら、ａ）ノズルの吐出口から前記基材の表面に向けて、塗工液を吐出する工程と、ｂ）前記基材の表面に塗布された前記塗工液を加熱する工程と、を実行し、少なくとも前記工程ｂ）の実行中に、前記吐出口の近傍に気体を吹き付ける。
本願の第１発明〜第８発明によれば、塗工液から気化した溶媒が、ノズルの吐出口付近に凝集することを抑制できる。したがって、溶媒の凝集に起因する塗工液の吐出不良を抑制できる。
特に、本願の第２発明によれば、吐出口の下流側に隣接する空間において、塗布直後の塗工液から気化した溶媒を、気体吹付部から供給される気体で置換できる。これにより、ノズルへの溶媒の付着を、効果的に抑制できる。
特に、本願の第３発明によれば、スリット状の吐出口の全幅に亘って、溶媒の吐出不良を抑制できる。
特に、本願の第４発明によれば、吐出口の幅方向の一方側から気体を吹き付けることによって、溶媒を含む気体を、幅方向の他方側へ排出しやすい。これにより、吐出口の近傍において、気体を効率よく置換できる。その結果、ノズルへの溶媒の凝集を、より効果的に抑制できる。
特に、本願の第５発明によれば、塗布直後から塗工液の乾燥を開始でき、かつ、ノズルへの溶媒の凝集を抑制できる。
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。 吸着ローラ、塗工ノズルおよび気体吹付部の斜視図である。 吸着ローラ、塗工ノズルおよび気体吹付ノズルの側面図である。 変形例に係る吸着ローラ、塗工ノズルおよび気体吹付部の斜視図である。 変形例に係る吸着ローラ、塗工ノズルおよび気体吹付部の斜視図である。
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．第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る塗工装置を含む膜・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、本発明におけるバックアップローラの一例となる。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、３０ｍｍ〜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。吸着痕の発生を防止するために、吸着孔の直径は、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。なお、図１および図２の例では、多孔質基材９１および電解質膜９２が、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ搬送される角度範囲は、吸着ローラ１０の軸心を中心とする約２７０°の範囲となっている。
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、複数の加熱流路１３が設けられている。加熱流路１３には、図外の熱媒体供給機構から、高温の熱媒体が供給される。熱媒体には、例えば、環境温度よりも高い温度に加熱された水または油が用いられる。製造装置１の動作時には、加熱流路１３を流れる熱媒体から、吸着ローラ１０の外周面および多孔質基材９１を介して電解質膜９２へ、熱が伝導する。その結果、電解質膜９２の表面において、後述する電極材料が加熱される。
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、理解を容易とするため、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、理解を容易とするため、吸着ローラ１０に保持される多孔質基材９１と、電解質膜９２および第１電極層９ａ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（塗工液）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は塗工ノズル４１を有する。塗工ノズル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。塗工ノズル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に保持される電解質膜９２の幅方向に沿って、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塗工ノズル４１に、電極材料が供給される。そして、塗工ノズル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、塗工ノズル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、塗工ノズル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。塗工ノズル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の塗工ノズル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面に加熱された気体（熱風）を吹き付ける部位である。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と対向する面に設けられた吹出口から、電解質膜９２の第２面に向けて、熱風を吹き付ける。
この製造装置１では、電解質膜９２が塗布部４０を通過した後、電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料が、加熱流路１３から伝導する熱により加熱される。これにより、電極材料中の溶媒が気化して、電極材料が乾燥する。また、乾燥炉５０は、熱風を吹き付けることによって、電極材料を補助的に加熱する。これにより、電極材料の乾燥が、より促進される。電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料は、乾燥することによって電極層（以下、「第２電極層９ｂ」と称する）となる。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。
このように、本実施形態では、吸着ローラ１０の内部に設けられた加熱流路１３と、乾燥炉５０とが、電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料を加熱する加熱部を構成する。ただし、加熱流路１３および乾燥炉５０のいずれか一方が、省略されていてもよい。また、加熱流路１３に代えて、吸着ローラ１０の内部に、通電により発熱するヒータが、加熱部として設けられていてもよい。
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、電極材料の乾燥、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の巻き取り、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、加熱流路１３への熱媒体供給機構、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。また、制御部７０は、後述する気体吹付部４２とも、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．気体吹付部について＞
この製造装置１では、塗布部４０から電解質膜９２の第２面に電極材料が塗布された後、直ちに、加熱流路１３からの熱によって、電極材料の乾燥が開始される。したがって、塗工ノズル４１の吐出口４１１に近い位置において、電解質膜９２に塗布された電極材料から溶媒が気化する。この溶媒が塗工ノズル４１に接触して凝集し、液滴として塗工ノズル４１に付着すると、電極材料の吐出不良が発生する可能性がある。このような吐出不良の発生を抑制するために、この製造装置１は、気体吹付部４２を有する。
図４は、吸着ローラ１０、塗工ノズル４１および気体吹付部４２の斜視図である。図４に示すように、気体吹付部４２は、気体吹付ノズル４２１、給気配管４２２および開閉弁４２３を有する。気体吹付ノズル４２１は、塗工ノズル４１の側方（吸着ローラ１０の軸心と平行な方向における塗工ノズル４１の一方側）に配置されている。給気配管４２２の下流側の端部は、気体吹付ノズル４２１に接続されている。給気配管４２２の上流側の端部は、気体供給源４２４に接続されている。また、給気配管４２２の経路上には、開閉弁４２３が介挿されている。
気体供給源４２４から供給される気体には、溶媒の成分を含まない乾燥した気体が用いられる。具体的には、クリーンドライエアや、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。開閉弁４２３を開放すると、気体供給源４２４から給気配管４２２を通って気体吹付ノズル４２１に、気体が供給される。そして、図４中に破線矢印で示したように、気体吹付ノズル４２１から、塗工ノズル４１の吐出口４１１の近傍へ向けて、気体が吹き付けられる。
このようにすれば、吐出口４１１の近傍の空間において、溶媒の蒸気が、気体吹付ノズル４２１から吐出される気体に置換される。このため、塗工ノズル４１の吐出口４１１の付近に、溶媒が凝集することを抑制できる。したがって、溶媒の凝集に起因する電極材料の吐出不良を抑制できる。
なお、気体吹付ノズル４２１から吐出される気体の圧力は、例えば０．０１〜０．４ＭＰａ、好ましくは０．０５〜０．１ＭＰａとされる。また、気体吹付ノズル４２１から吐出される気体の流量は、例えば１〜３００Ｌ／min、好ましくは１０〜１００Ｌ／minとされる。
図５は、吸着ローラ１０、塗工ノズル４１および気体吹付ノズル４２１の側面図である。図５に示すように、気体吹付ノズル４２１は、側面視において、塗工ノズル４１の吐出口４１１よりも、吸着ローラ１０の回転方向のやや下流側に位置する。そして、気体吹付ノズル４２１は、塗工ノズル４１の吐出口４１１に対して、吸着ローラ１０の回転方向下流側に隣接する空間に、気体を吹き付ける。このため、吐出口４１１の下流側に隣接する空間において、塗布直後の電極材料から気化した溶媒が、気体吹付ノズル４２１から吹き付けられる気体に置換される。これにより、塗工ノズル４１への溶媒の付着を、効果的に抑制できる。
電極材料の吐出時には、図５のように、塗工ノズル４１の吐出口４１１に、電極材料の表面張力によって、電極材料の液溜まり（bead）９０が形成される。この液溜まり９０の形状が乱れると、電解質膜９２の第２面において電極材料の塗工不良が生じやすくなる。この点において、本実施形態の気体吹付ノズル４２１は、液溜まり９０よりも、吸着ローラ１０の回転方向下流側の位置に、気体を吹き付ける。すなわち、気体吹付ノズル４２１からの気体の吐出方向が、液溜まり９０に向けられていない。したがって、液溜まり９０の形状が乱れることを抑制しつつ、吐出口４１１の近傍の空間に、気体を吹き付けることができる。また、上述のように、塗工ノズル４１の吐出口４１１の付近に、溶媒が凝集しにくい。このため、溶媒の液滴により、液溜まり９０の形状が乱されることも抑制できる。
また、本実施形態では、気体吹付ノズル４２１に、円筒状のパイプ型ノズルが用いられている。このため、図４中の破線矢印のように、気体吹付ノズル４２１から吹き出される気体は、高い指向性をもって、塗工ノズル４１の吐出口４１１に沿う気流を形成する。したがって、吐出口４１１に沿う空間の全体に対して、気体を吹き付けることが可能となる。また、吐出口４１１の一方の側方から気体を吹き付けることによって、溶媒を含む気体を、吐出口４１１の他方の側方へ、容易に排出できる。これにより、吐出口４１１の近傍において、気体をより効率よく置換できる。その結果、スリット状の吐出口４１１の全幅に亘って、塗工ノズル４１への溶媒の凝集を、効果的に抑制できる。
気体吹付ノズル４２１は、少なくとも、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９２の第２面に塗布された電極材料が加熱されるときに、気体を吐出していることが好ましい。気体吹付ノズル４２１は、吸着ローラ１０による電解質膜９２の搬送中には、常に気体を吐出していてもよい。また、気体吹付ノズル４２１は、塗工ノズル４１による電極材料の間欠塗布のタイミングに合わせて、電極材料が塗布されるときにのみ、気体を吐出するようにしてもよい。
＜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６は、一変形例に係る吸着ローラ１０、塗工ノズル４１および気体吹付部４２の斜視図である。上記の実施形態では、気体吹付ノズル４２１に、指向性の高いパイプ型ノズルを用いていた。これに対し、図６の例では、気体吹付ノズル４２１に、広い角度範囲に気体を吐出する拡散ノズルを用いている。このような拡散ノズルを用いれば、塗工ノズル４１の吐出口４１１付近のより広い空間において、溶媒の蒸気を含む気体を、気体吹付ノズル４２１から吐出される気体に置換できる。なお、拡散ノズルは、吐出した気体が平面的な扇形状に拡がる扇形ノズルであってもよく、吐出した気体が円錐状に拡がる円錐型ノズルであってもよい。また、気体吹付ノズル４２１は、パイプ型、扇形、円錐型以外のノズルであってもよい。
また、上記の実施形態および図６の例では、気体吹付部４２が、１つの気体吹付ノズル４２１を有していた。しかしながら、気体吹付部４２は、複数の気体吹付ノズル４２１を有していてもよい。例えば、塗工ノズル４１の両側（吸着ローラ１０の軸心と平行な方向における塗工ノズル４１の両側）に、一対の気体吹付ノズル４２１が配置されていてもよい。そして、当該一対の気体吹付ノズル４２１が、それぞれ、塗工ノズル４１の吐出口４１１の近傍へ向けて、気体を吹き付けてもよい。
図７は、他の変形例に係る吸着ローラ１０、塗工ノズル４１および気体吹付部４２の斜視図である。図７においては、給気配管４２２、開閉弁４２３および気体供給源４２４の図示が省略されている。図７の例では、気体吹付部４２が、複数の気体吹付ノズル４２１を有している。複数の気体吹付けノズル４２１は、吸着ローラ１０の軸心と平行な方向に配列されている。各気体吹付ノズル４２１は、吸着ローラ１０の外周面に向けて気体を吐出する。このようにすれば、塗工ノズル４１の吐出口４１１に沿う空間の全体に、確実に気体を供給できる。なお、気体の置換効率を高めるために、各気体吹付ノズル４２１の向きを、吸着ローラ１０の外周面に対して垂直な方向から、やや傾けてもよい。
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、長尺帯状の基材である電解質膜の表面に、塗工液として電極材料を塗布する場合について説明した。しかしながら、本発明の塗工装置は、電解質膜以外の長尺帯状の基材の表面に、電極材料以外の塗工液を塗布するものであってもよい。また、本発明の塗工装置は、固体高分子形燃料電池用の膜・電極接合体以外の製品を製造するための装置であってもよい。
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 製造装置
９ａ 第１電極層
９ｂ 第２電極層
１０ 吸着ローラ
１１ 回転駆動部
１３ 加熱流路
２０ 多孔質基材供給回収部
３０ 電解質膜供給部
４０ 塗布部
４１ 塗工ノズル
４２ 気体吹付部
５０ 乾燥炉
６０ 接合体回収部
７０ 制御部
９０ 液溜まり
９２ 電解質膜
４１１ 吐出口
４２１ 気体吹付ノズル
４２２ 給気配管
４２３ 開閉弁

Claims (8)

  1. 長尺帯状の基材を搬送しつつ、前記基材の表面に塗工液を塗布する塗工装置であって、
    前記基材を保持する円筒状の外周面を有するバックアップローラと、
    前記バックアップローラを回転させる駆動部と、
    前記バックアップローラに保持された前記基材の表面に向けて、前記塗工液を吐出する吐出口を有するノズルと、
    前記バックアップローラに保持された前記基材の表面に塗布された前記塗工液を加熱する加熱部と、
    前記吐出口の近傍に気体を吹き付ける気体吹付部と、
    を備える塗工装置。
  2. 請求項１に記載の塗工装置であって、
    前記気体吹付部は、少なくとも、前記吐出口に対して、前記バックアップローラの回転方向下流側に隣接する空間に、気体を吹き付ける塗工装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の塗工装置であって、
    前記吐出口は、前記基材の幅方向に延びるスリット状の開口であり、
    前記気体吹付部は、前記吐出口の幅方向の範囲の全体に対して前記気体を吹き付ける塗工装置。
  4. 請求項３に記載の塗工装置であって、
    前記気体吹付部は、前記吐出口に沿って前記気体を吹き付ける塗工装置。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の塗工装置であって、
    前記加熱部は、前記バックアップローラの内部から、前記バックアップローラの外周面を介して前記基材を加熱する塗工装置。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の塗工装置であって、
    前記気体吹付部から吹き付けられる気体は、クリーンドライエアまたは不活性ガスである塗工装置。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の塗工装置であって、
    前記基材は、電解質膜であり、
    前記塗工液は、電極材料である塗工装置。
  8. 長尺帯状の基材を搬送しつつ、前記基材の表面に塗工液を塗布する塗工方法であって、
    円筒状のバックアップローラの外周面に保持された前記基材を、前記バックアップローラの回転により搬送しながら、
    ａ）ノズルの吐出口から前記基材の表面に向けて、塗工液を吐出する工程と、
    ｂ）前記基材の表面に塗布された前記塗工液を加熱する工程と、
    を実行し、
    少なくとも前記工程ｂ）の実行中に、前記吐出口の近傍に気体を吹き付ける塗工方法。
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