JP5924233B2 - 接合装置および接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）は、発電体として膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、電解質膜と、その両面に配置される触媒電極と、を備える。電解質膜はイオン交換樹脂の薄膜によって構成される。また、触媒電極は、触媒担持粒子の分散液（いわゆる、触媒インク）の塗膜として形成される。

従来から、膜電極接合体の製造工程としては、帯状の電解質膜を長尺方向に沿って搬送しつつ、触媒電極を構成する電極部材をホットプレスによって連続的に接合（転写）する流れ工程が採用されている。特許文献１には、搬送中の高分子電解質膜に対して、第１の触媒電極と第２の触媒電極とを、第１のロールプレイスと第２のロールプレイスとにおいてそれぞれ順に転写する技術が開示されている。特許文献２には、二段階の第１と第２の熱プレス部による二段階のホットプレス工程によって、搬送中の電解質膜の両面に触媒層を同時に転写する技術が開示されている。

特開２０１０−７３６３９号公報 特開２０１０−１８２５６３号公報

ところで、電解質膜は湿潤状態に応じて膨潤収縮しやすい性質を有している上に、通常は、薄膜化されてしわが生じやすい状態になっている。そのため、膜電極接合体の製造工程では、電解質膜に対して触媒電極をホットプレスによって接合する際に電解質膜にしわが発生してしまう場合があった。このような電解質膜のしわは、燃料電池を構成したときに電解質膜にやぶれを生じさせる原因になり、反応ガスの漏洩の発生原因となる可能性がある。

しかし、特許文献１では特性が互いに異なる第１の触媒電極と第２の触媒電極と形成することが課題とされており、各触媒電極の転写工程において電解質膜のしわの発生を抑制することについては開示されていない。また、特許文献２では触媒層の転写後において触媒層の転写用の基材シートとともに触媒層の一部が剥離してしまう剥離不良を抑制することが課題とされており、触媒層の転写工程において電解質膜のしわの発生を抑制することについては開示されていない。

このように、膜電極接合体の製造工程において、電解質膜に触媒電極を接合する際に、電解質膜にしわが発生することを抑制することについて十分な工夫がなされていなかった。また、従来の膜電極接合体の製造工程においては、そのほかに、電解質膜と触媒電極との接合性の向上や、膜電極接合体の製造装置の小型化、膜電極接合体の製造装置の使い勝手の向上、膜電極接合体の製造工程の低コスト化、省資源化、容易化等が要求されてきた。しかし、これまで、これらの要求に対しても十分な工夫がなされていなかった。なお、上述した課題は、燃料電池の膜電極接合体の製造工程に限らず、熱変形を生じやすい膜状の部材同士をホットプレスによって接合する技術において共通する課題であった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の第一形態は、燃料電池用の電解質膜と、燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材と、を接合する接合装置であって、前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で挟み、加熱するとともに加圧して繰り出す一対のローラーと、前記電解質膜を前記一対のローラーに搬送して、前記一対のローラーの間に重力方向下方から繰り入れる第１の搬送路と、前記電極部材を前記一対のローラーへと搬送して、前記一対のローラーの間に重力方向下方から繰り入れる第２の搬送路と、を備える、接合装置として提供される。本発明の第二形態は、燃料電池用の電解質膜と、燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材と、を接合する方法であって、（ａ）互いに対向して配置されて、互いに反対方向に回転する一対のローラーの間に、前記電解質膜を重力方向下方から繰り入れる工程と、（ｂ）前記一対のローラーの間に、前記電極部材を前記電解質膜とともに重力方向下方から繰り入れる工程と、（ｃ）前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で、前記一対のローラーによって加熱するとともに加圧する工程と、を備える、方法として提供される。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用の電解質膜と、燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材と、を接合する接合装置が提供される。この接合装置は、前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で挟み、加熱するとともに加圧して繰り出す一対のローラーと；前記電解質膜を前記一対のローラーに搬送して、前記一対のローラーの間に重力方向下方から繰り入れる第１の搬送路と；前記電極部材を前記一対のローラーへと搬送して、前記一対のローラーの間に繰り入れる第２の搬送路と；を備える。この形態の接合装置によれば、一対のローラーの熱によって熱せられた上昇気流の影響によって一対のローラーの間に繰り入れられる前の電解質膜の端部が反ってしまうことを抑制できる。従って、電解質膜に電極部材を接合する際に、電解質膜にしわが発生してしまうことを抑制できる。

（２）上記形態の接合装置において、前記電解質膜は帯状の部材であり；前記電極部材は、前記電解質膜の面内に収まるサイズを有しており；前記第１の搬送路は、前記電解質膜を長尺方向に沿って搬送し；前記第２の搬送路は、複数の前記電極部材が離間して配列された帯状の搬送フィルムを、前記搬送フィルムの長尺方向に沿って搬送し、複数の前記電極部材を前記搬送フィルムとともに前記一対のローラ−の間に繰り入れても良い。この形態の接合装置によれば、搬送中の帯状の電解質膜に対して連続して電極部材を接合することができるとともに、電解質膜の電極部材の外周の領域においてしわが発生してしまうことを抑制できる。

（３）上記形態の接合装置において、前記一対のローラーは、前記電解質膜と前記電極部材とを、前記電解質膜の側から加圧する第１のローラーと、前記電極部材の側から加圧する第２のローラーと、を含み；前記第１の搬送路は、前記第１のローラーの加圧方向と前記一対のローラーに対して前記電解質膜が繰り入れられる方向との間の角度であって前記第１のローラー側の角度が９０度以下となるように、前記電解質膜を搬送しても良い。この形態の接合装置であれば、一対のローラーの熱による上昇気流の影響を抑制しつつ電解質膜を適切な温度まで昇温させた上で、電解質膜を一対のローラーの間に繰り入れることができ、電極部材の接合性を向上させることができる。

（４）上記形態の接合装置において、前記第１の搬送路は、前記電解質膜を、前記第１のローラーの側面に沿わせて、前記第１のローラーと前記第２のローラーの間に繰り入れても良い。この形態の接合装置によれば、第１のローラーの側面に沿って延びた状態の電解質膜を第１のローラーの熱によって適切な温度まで昇温させた上で、一対のローラーの間に繰り入れることができる。従って、接合前において電解質膜の変形を抑制した状態で電解質膜を昇温させることができ、電極部材の接合性を向上させることができる。

（５）上記形態の接合装置において、前記第２の搬送路は、前記搬送フィルムを前記第２のローラーの側面に面接触させつつ、前記電極部材を前記第１のローラーと前記第２のローラーとの間に繰り入れても良い。この形態の接合装置によれば、搬送フィルム上の電極部材と電解質膜とが一対のローラーによって加圧される前に互いに接触することが抑制される。従って、一対のローラーによる加圧前に電極部材と電解質膜との間に空気が入り込んでしまい、加圧の際に、その空気が電極部材の外側へと移動することによって電解質膜にしわが発生してしまうことを抑制できる。

（６）本発明の他の形態によれば、燃料電池用の電解質膜と燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材とを接合する方法が提供される。この方法は、（ａ）互いに対向して配置されて、互いに反対方向に回転する一対のローラーの間に、前記電解質膜を重力方向下方から繰り入れる工程と；（ｂ）前記一つのローラーの間に、前記電極材料を前記電解質膜とともに繰り入れる工程と；（ｃ）前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で、前記一対のローラーによって加熱するとともに加圧する工程と、を備える。

本発明は、接合装置や接合方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、その接合装置の制御方法や、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。また、その接合装置や接合方法を利用した膜電極接合体の製造装置や製造方法、その製造装置や製造方法によって製造された膜電極接合体、膜電極接合体の製造装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

膜電極接合体の製造装置の構成を示す概略図。 第３のシート基材上に形成された第２の触媒層を示す概略斜視図。 切出装置の構成を示す概略斜視図と、切出装置による切り出し位置を説明するための模式図。 切出装置によって切り出された膜電極接合体の構成を示す概略図。 比較例としての製造装置の構成を示す概略図。 比較例の製造装置における第１と第２のホットローラーの近傍を抜き出した模式図。 第２のホットローラーの熱によって生じた上昇気流の電解質膜に対する影響を説明するための模式図。 電解質膜と第２の触媒層との間に入り込んだ空気による電解質膜のしわの発生を説明するための模式図。 比較例における第１の入口ローラーによる電解質膜に対するテンションの付与を説明するための模式図。 本実施形態の製造装置における電解質膜のしわの発生の抑制を説明するための模式図。 第２実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図。 第３実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図。 第４実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図。

A．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を示す概略図である。図１には製造装置１００において搬送されていく被加工物の概略断面を搬送位置ごとに適宜図示してある。また、図１には、被加工物の搬送方向を搬送路に平行に配置された矢印によって図示するとともに、各ホットローラー２３，２４，４２，４３の回転方向を一点鎖線の矢印によって図示してある。さらに、図１には、重力方向を示す矢印Ｇを紙面左隅に図示してある。

この製造装置１００は、流れ工程によって、帯状に連なった状態の複数の膜電極接合体５を連続的に製造する。なお、製造装置１００によって製造された帯状に連なった膜電極接合体５は、後工程において互いに切り離されて分離されるが、その詳細については後述する。製造装置１００は、第１の接合部２０と、シート剥離部３０と、第２の接合部４０と、を備える。なお、製造装置１００は、さらに、各構成部２０〜３０の間の搬送路を構成する複数の搬送ローラー５０を備えているが、搬送ローラー５０についての詳細な説明は省略する。

第１の接合部２０は、長尺方向に搬送されていく帯状の電解質膜１の一方の表面に対して帯状の第１の触媒層２を転写して接合する。第１の接合部２０は、電解質膜繰出部２１と、第１の触媒層繰出部２２と、２つのホットローラー２３，２４と、を備える。電解質膜繰出部２１は、第１のシート基材１ｓに貼付された帯状の電解質膜１が巻かれたロール（図示せず）を備えており、第１のシート基材１ｓに貼付された帯状の電解質膜１を、２つのホットローラー２３,２４の間へと繰り出す。

ここで、電解質膜１は、例えば、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示すフッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。電解質膜１は、所定の湿潤状態で電解質膜繰出部２１から繰り出される。第１のシート基材１ｓは例えば樹脂フィルムによって構成される。第１のシート基材１ｓは電解質膜１とほぼ同じ幅を有しており、一方の面の全体が電解質膜１によって被覆されている。

第１の触媒層繰出部２２は、第１のシート基材１ｓとほぼ同じ幅を有する第２のシート基材２ｓの一方の表面の全体を被覆する薄膜状の第１の触媒層２が巻かれたロール（図示せず）を備えている。第１の触媒層繰出部２２は、第１の触媒層２を、第２のシート基材２ｓに配置させたまま、２つのホットローラー２３,２４へと繰り出す。第１の触媒層２は、第２のシート基材２ｓの一方の表面に触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成されている。

ここで、「触媒インク」とは、燃料電池反応を促進する触媒を担持する導電性粒子と、電解質膜１と同じ又は類似の電解質と、を有機溶媒や無機溶媒に分散させた分散溶液を意味する。第２のシート基材２ｓは、樹脂フィルムによって構成されており、一方の面の全体が、第１の触媒層２によって被覆されている。

第１と第２のホットローラー２３，２４は、互いに隣り合って並列に配置されており、高温（例えば１４０〜１６０度程度）まで昇温した状態で、互いに反対方向に回転する。第１と第２のホットローラー２３，２４は、互いの離間距離を調整することによって、互いの間に繰り入れられた被加工物に対する加圧力を調整することができる。

電解質膜１と第１の触媒層２とは、幅方向の側端部が揃えられて互いに面接触した状態で第１と第２のホットローラー２３，２４の間に繰り入れられる。電解質膜１と第１の触媒層２とは、各シート基材１ｓ，２ｓを介して第１と第２のホットローラー２３，２４によって加熱されるとともに加圧されて、互いに接合される。第１と第２のホットローラー２３，２４の間から繰り出された電解質膜１と第１の触媒層２の接合体は、第１と第２のシート基材１ｓ，２ｓに狭持された状態でシート剥離部３０へと搬送される。

シート剥離部３０は、電解質膜１と第１の触媒層２の接合体から第１と第２のシート基材１ｓ，２ｓを剥離する。シート剥離部３０は、第１と第２のシート回収部３１，３２と、２つの剥離ローラー３３ａ，３３ｂと、を備える。第１のシート回収部３１は、第１の接合部２０の後段に配置されている。第１のシート回収部３１の入口には、第１の剥離ローラー３３ａが配置されている。第１の剥離ローラー３３ａは第２のシート基材２ｓを第１の触媒層２の表面から剥離して第１のシート回収部３１へと搬送する。第１のシート回収部３１は巻き取りローラー（図示は省略）などによって剥離された第２のシート基材２ｓを回収する。

第２のシート回収部３２は第１のシート回収部３１の後段に配置されている。第２のシート回収部３２の入口には、第２の剥離ローラー３３ｂが配置されている。第２の剥離ローラー３３ｂは第１のシート基材１ｓを電解質膜１の表面から剥離して第２のシート回収部３２へと搬送する。第２のシート回収部３２は巻き取りローラー（図示は省略）によって剥離された第１のシート基材１ｓを回収する。

第２の接合部４０は、特許請求の範囲における「接合装置」に相当し、第１の触媒層２が接合された電解質膜１に対して第２の触媒層３を接合する。第２の接合部４０は、第２の触媒層繰出部４１と、第１と第２のホットローラー４２，４３と、第１と第２の入口ローラー４４，４５と、を備える。第２の触媒層繰出部４１は、帯状の第３のシート基材３ｓ上に配列された複数の第２の触媒層３を繰り出す。

図２は、第３のシート基材３ｓ上に形成された複数の第２の触媒層３を示す概略斜視図である。第３のシート基材３ｓは電解質膜１とほぼ同じ幅を有している樹脂フィルムによって構成された帯状の部材である。複数の第２の触媒層３は、第３のシート基材３ｓの一方の面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。第２の触媒層３は、それぞれの外周端部の全体が第３のシート基材３ｓの面内に収まるように形成されており、第３のシート基材３ｓの長尺方向に一列に等間隔で配列されている。

第１と第２のホットローラー４２，４３（図１）は互いに隣り合って水平方向に並列に配列されている。第１と第２のホットローラー４２，４３は、高温（例えば１４０〜１６０度程度）まで昇温した状態で、互いに反対方向に回転する。また、第１と第２のホットローラー４２，４３は、互いの離間距離を調整することによって、互いの間に繰り入れられた被加工物に対する加圧力を調整することができる。

第１の触媒層２が接合されている電解質膜１は、重力方向下方から第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる。より具体的には、第１の触媒層２が第１のホットローラー４２の側面に面接触し、電解質膜１が１のホットローラー４２の側面に沿った状態で、第１と第２のホットローラー４２，４３の回転によって第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる。なお、電解質膜１は、第１と第２のホットローラー４２，４３の手前に設けられている第１の入口ローラー４４によってテンション（張力）が付与されるとともに、第１と第２のホットローラー４２，４３に対する繰り入れ方向の角度が調整されている。

第２の触媒層繰出部４１から繰り出された第３のシート基材３ｓ上の第２の触媒層３は、電解質膜１とともに重力方向下方から第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる。より具体的には、第３のシート基材３ｓが第２のホットローラー４３の側面に面接触した状態で、第１と第２のホットローラー４２，４３の回転によって第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる。なお、第３のシート基材３ｓは、第１と第２のホットローラー４２，４３の手前に設けられている第２の入口ローラー４５によってテンションが付与される。第３のシート基材３ｓ上の第２の触媒層３は、第１と第２のホットローラー４２，４３の間において電解質膜１と接触し、加熱・加圧されることによって電解質膜１に接合される。

ところで、本実施形態の製造装置１００では、上述したように、第１の触媒層２が接合されている電解質膜１は、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に、重力方向下方から繰り入れられる。この構成によって、本実施形態の製造装置１００では、電解質膜１にしわが発生することが抑制されているが、その詳細については後述する。

このように、本実施形態の製造装置１００では、電解質膜１によって帯状につながった状態の複数の膜電極接合体５が形成される。なお、第２の触媒層３の表面に貼付されたままの第３のシート基材３ｓは、第２の接合部４０の後段に設けられたシート剥離部によって剥離されて回収されるが、その図示および詳細な説明は省略する。

図３（Ａ）は、製造装置１００において製造された複数の膜電極接合体５をそれぞれ切り出して互いに分離する切出装置２００の構成を示す概略斜視図である。この切出装置２００は、膜電極接合体５の第１の触媒層２にガス拡散層６を接合した上で、膜電極接合体５をガス拡散層６とともに打ち抜き加工によって切り出す。切出装置２００は、接合部２１０と、打抜部２２０と、を備える。

接合部２１０は、第１と第２のホットローラー２１１，２１２とを備える。第１と第２のホットローラー２１１，２１２は互いに隣り合って並列に配列されており、高温（例えば１４０〜１６０度程度）まで昇温した状態で、互いに反対方向に回転する。なお、第１と第２のホットローラー２１１，２１２は、互いの離間距離を調整することによって、互いの間に繰り入れられた被加工物に対する加圧力を調整することができる。

帯状に連なった複数の膜電極接合体５は、それぞれの第１の触媒層２の表面にガス拡散層６が配置された状態で、第１と第２のホットローラー２１１，２１２の間に繰り入れられる。なお、ガス拡散層６は、例えば炭素繊維など、ガス拡散性および導電性を有する平板状の部材によって構成される。ガス拡散層６は、縦方向および横方向のサイズが第２の触媒層３よりも大きく、第２の触媒層３がガス拡散層６の面内中央に位置するように、第１の触媒層２の表面に配置される。接合部２１０において、第１の触媒層２にガス拡散層６が接合された膜電極接合体５は、そのまま、後段に設けられた打抜部２２０へと搬送される。

打抜部２２０は、パンチとして機能する上型部２２１と、ダイとして機能する下型部２２２と、を備える。ガス拡散層６が接合された膜電極接合体５は、上型部２２１と下型部２２２の間に搬送される。上型部２２１は、下型部２２２の上に載置されている膜電極接合体５およびガス拡散層６を、第２の触媒層３側から打ち抜き、膜電極接合体５およびガス拡散層６を打ち抜いて切り出す。

図３（Ｂ）は、打抜部２２０による切り出し位置を説明するための模式図である。図３（Ｂ）には、帯状に連なった複数の膜電極接合体５の第２の触媒層３側の面を図示してある。また、図３（Ｂ）には、中央の膜電極接合体５に対して、ガス拡散層６の配置領域を示す一点鎖線と、打抜部２２０による切断線ＣＬを示す破線と、を図示してある。打抜部２２０は、第２の触媒層３の外側であって、ガス拡散層６の面内の領域を打ち抜いて膜電極接合体５を切り出す。

図４（Ａ），（Ｂ）は、切出装置２００によって切り出された膜電極接合体５の構成を示す概略図である。図４（Ａ）は膜電極接合体５の概略断面図であり、図４（Ｂ）は膜電極接合体５を第２の触媒層３側から見たときの概略正面図である。なお、膜電極接合体５の第１の触媒層２にはガス拡散層６が接合されている。

本実施形態の製造装置１００（図１）によって製造され、切出装置２００（図３）によって切り出された膜電極接合体５では、第２の触媒層３の外周端部が電解質膜１の面内に配置されており、第２の触媒層３から露出した電解質膜１の内周部位を有している。即ち、膜電極接合体５では、第１の触媒層２の外周端部と第２の触媒層３の外周端部とが離間されている。そのため、この膜電極接合体５を用いて燃料電池を構成する際には、外周端部を被覆するシール部を形成することによって、電解質膜１の端部を介して２つの触媒層２，３の間で未反応の反応ガスが行き来してしまう、いわゆるクロスリークが抑制される。

また、膜電極接合体５では、第１の触媒層２の外周端部の位置とガス拡散層６の外周端部の位置とが揃っているため、ガス拡散層６の外周端部に存在する繊維の毛羽が電解質膜１の表面に突き刺さることを抑制できる。さらに、膜電極接合体５によれば、燃料電池の発電中などにガス拡散層６において過酸化水素ラジカルが発生した場合であっても、当該過酸化水素ラジカルを電解質膜１に到達する前に第１の触媒層２における触媒の作用によって消失させることができる。従って、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化を抑制することができる。

なお、燃料電池を構成する際には、膜電極接合体５の第２の触媒層３に対してもガス拡散層が積層されても良い。この場合には、ガス拡散層の外周端部が第２の触媒層３の外周端部より内側に配置されることが望ましい。これによって、第２の触媒層３側においても、上述したような、電解質膜１に対するガス拡散層の毛羽の突き刺さりや、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化を抑制することができる。

ところで、電解質膜に触媒層をホットプレスによって転写して接合するときには、触媒層の外周領域において電解質膜にしわが発生してしまう場合があった。電解質膜のしわは、膜電極接合体を燃料電池に組み付けるときに電解質膜の破れなどの損傷を発生させる原因となる。また、電解質膜のしわが電解質膜の外周端部まで延びているような場合には、そのしわが反応ガスの経路となって、クロスリークが発生する原因となってしまう場合がある。本発明の発明者は、このような電解質膜のしわは、以下に説明する比較例の製造装置１００ａのような構成において発生しやすいことを見出した。

図５は、本発明の比較例としての製造装置１００ａの構成を示す概略図である。図５には、図１と同様に、被加工物の概略断面や、搬送方向を示す矢印、各ホットローラー２３，２４，４２，４３の回転方向を示す矢印、重力方向を示す矢印Ｇを図示してある。また、図５では、図１で説明した構成部に対応する構成部には、図１と同じ符号を付してある。

比較例の製造装置１００ａの第２の接合部４０では、第１の触媒層２が接合された電解質膜１と、第３のシート基材３ｓに配置された第２の触媒層３とは、水平に配列されている第１と第２のホットローラー４２，４３の間に、重力方向上方から繰り入れられる。より具体的には、電解質膜１と第２の触媒層３とは、第２のホットローラーの側面上において互いに面接触するように重ね合わされ、そのまま第２のホットローラー４３の回転に伴って、第１と第２のホットローラー４２，４３の間へと繰り入れられて接合される。

図６は、比較例の製造装置１００ａにおける第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍を抜き出した模式図である。図６には、第２のホットローラー４３の熱によって発生する気流の流れを示す破線矢印を図示してある。駆動中の第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍領域においては、第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって空気が昇温されて上昇気流が発生する。

この上昇気流によって第１と第２のホットローラー４２，４３の上方の領域は下方の領域よりも温度が高い状態となる。比較例の製造装置１００ａでは、電解質膜１がそうした温度の高い領域において搬送される。そして、電解質膜１は第２のホットローラー４３の上方において、第２のホットローラー４３からの上昇気流によって直接的に加熱される。

図７（Ａ），（Ｂ）は第２のホットローラー４３の熱によって生じた上昇気流の電解質膜１に対する影響を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、第２のホットローラー４３の上方に搬送されてきた電解質膜１の概略正面図である。なお、図７（Ａ）には、電解質膜１の搬送方向を示す矢印と、電解質膜１の収縮変形の方向を示す矢印とを図示してある。

図７（Ｂ）は、第２のホットローラー４３の上方における、第１の触媒層２が接合された電解質膜１と、第３のシート基材３ｓに配置された第２の触媒層３の概略断面図である。なお、図７（Ｂ）には、上昇気流の流れを示す破線矢印と、電解質膜１の変形方向を示す実線矢印とを図示してある。

比較例の製造装置１００ａでは、電解質膜１は第２のホットローラー４３の熱によって昇温して乾燥するため、第２のホットローラー４３に近づくほど収縮し、その幅が縮小される（図７（Ａ））。また、電解質膜１の収縮量は接合されている第１の触媒層２の収縮量よりも大きいため、その収縮量の差に起因して、電解質膜１の端部が内側へ向かって反り返る（図７（Ｂ））。特に、比較例の製造装置１００ａでは、電解質膜１が温度の高い第１と第２のホットローラー４２，４３よりも上方の領域を搬送されるため、電解質膜１の端部が著しく変形する。

さらに、比較例の製造装置１００ａでは、第２のホットローラー４３の熱によって発生した上昇気流が、第３のシート基材３ｓ上の第２の触媒層３と電解質膜１との間に入り込む。電解質膜１の端部が下方に反り返っているため、電解質膜１の下方は上昇気流として入り込んだ熱い空気がそのまま電解質膜１の下方に滞留しやすい状態にある。この滞留する熱い空気によって、電解質膜１はさらに昇温されて収縮変形が促進されてしまう。

このような電解質膜１の収縮による著しい変形が、第２の触媒層３を接合したときに、第２の触媒層３の端部において電解質膜１にしわを発生させる原因となる。さらに、本発明の発明者は、電解質膜１と第２の触媒層３との間に入り込んだ空気が、電解質膜１のしわの発生原因となることを見出した。

図８（Ａ），（Ｂ）は、電解質膜１と第２の触媒層３との間に入り込んだ空気による電解質膜１のしわの発生を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、比較例の製造装置１００ａにおいて第１の触媒層２が接合された電解質膜１と、第３のシート基材３ｓに配置された第２の触媒層３とが第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる様子を示す模式図である。図８（Ｂ）は、第２の触媒層３が接合され、しわが発生した状態の電解質膜１を模式的に示す概略正面図である。図８（Ａ），（Ｂ）には、電解質膜１と第２の触媒層３との間に入り込んだ空気の移動を示す破線矢印を図示してある。

電解質膜１と第２の触媒層３とは、第２のホットローラー４３に近づくに従って互いの距離が狭くなり、第２のホットローラー４３の側面上において互いに接触する。このとき、電解質膜１と第２の触媒層３との間に滞留していた熱い空気の一部が逃げ切れずに、電解質膜１と第２の触媒層３とが接触した後にも、電解質膜１と第２の触媒層３との間に残留してしまう（図８（Ａ））。

そして、この残留した空気は、電解質膜１と第２の触媒層３とが第１と第２のホットローラー４２，４３によって加圧される位置に近づくに従って、第２の触媒層３の幅方向における側端部に向かって逃げる（図８（Ｂ））。第１と第２のホットローラー４２，４３によって電解質膜１と第２の触媒層３とが接合されるときに、第２の触媒層３の幅方向における側端部から逃げる空気が、電解質膜１の露出部位にしわを発生させてしまう。

図９は、比較例の製造装置１００ａにおける、第１の入口ローラー４４による電解質膜１に対するテンションの付与を説明するための模式図である。図９には、比較例の製造装置１００ａにおいて、第１と第２のホットローラー４２，４３の手前に設けられた第１の入口ローラー４４によって第１の触媒層２が接合された電解質膜１に対してテンションを付与している状態を図示してある。

第１と第２のホットローラー４２，４３の手前に設けられた第１の入口ローラー４４によって、電解質膜１にテンションを付与すれば、図７（Ｂ）で説明した電解質膜１の端部における反りを低減することができる。しかし、このような構成であっても、第１のホットローラー４２の熱によって発生する上昇気流のために著しく熱収縮する電解質膜１の反りを完全になくすことはできない。また、電解質膜１と第２の触媒層３との接合の際に、両者の間に空気が入り込んでしまうことは抑制できないため、当該空気に起因する電解質膜１のしわの発生を抑制することは困難である。

なお、比較例の製造装置１００ａにおいて、第１と第２のホットローラー４２，４３の温度を例えば１２０〜１３０°程度まで低下させれば、上昇気流による電解質膜１の昇温を抑制することが可能である。しかし、この場合には、電解質膜１と第２の触媒層３とを接合するための温度が不足してしまい、両者の接合性が低下してしまう可能性がある。

図１０は、本実施形態の製造装置１００における電解質膜１のしわの発生の抑制を説明するための模式図である。図１０には、本実施形態の製造装置１００の第２の接合部４０における第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍を抜き出して図示してある。また、図１０には、便宜上、第１のホットローラー４２による加圧方向を示す矢印と、第１と第２のホットローラー４２，４３に対する電解質膜１の繰り入れ方向を示す矢印とを図示してある。

本実施形態の製造装置１００では、第１の触媒層２が接合された電解質膜１が、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に重力方向下方から繰り入れられる。より具体的には、電解質膜１は、第１のホットローラー４２の加圧方向に対して９０°よりも小さい角度αで、重力方向下方から、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる。従って、本実施形態の製造装置１００では、第１と第２のホットローラー４２，４３の手前において、電解質膜１が第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって発生する上昇気流に熱せられることがない。

また、本実施形態の製造装置１００では、第１の触媒層２が接合された電解質膜１は、第１の触媒層２が第１のホットローラー４２の側面に面接触した状態で第１と第２のホットローラー４２，４３の間へと繰り入れられる。一方、第３のシート基材３ｓに配置された第２の触媒層３は、第３のシート基材３ｓが第１のホットローラー４２の側面に面接触した状態で第１と第２のホットローラー４２，４３の間へと繰り入れられる。

従って、本実施形態の製造装置１００では、電解質膜１と第２の触媒層３とが接触する位置が第１と第２のホットローラー４２，４３によって加圧される位置とほぼ一致することになる。そのため、第１と第２のホットローラー４２，４３によって加圧される前に電解質膜１と第２の触媒層３との間に空気が入り込んでしまうことが抑制される。

さらに、本実施形態の製造装置１００であれば、電解質膜１と第２の触媒層３とが第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる前に、電解質膜１が第１のホットローラー４２の側面に沿って延ばされた状態で加熱される。即ち、本実施形態の製造装置１００であれば、接合工程の前に電解質膜１が、変形を抑制された状態で予備的に加熱される。従って、電解質膜１が十分に昇温されていないことに起因する第２の触媒層３の接合性の低下が抑制され、膜電極接合体５における内部抵抗を低減させることができ、膜電極接合体５の発電性能を向上させることができる。

また、本実施形態の製造装置１００であれば、電解質膜１が第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって生じる上昇気流に曝されることがないため、電解質膜１の熱収縮の抑制のために第１と第２のホットローラー４２，４３の温度を下げる必要がない。そのため、電解質膜１と第２の触媒層３との接合性を確保できる。

以上のように、本実施形態の製造装置１００であれば、電解質膜１が重力方向下方から第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられて第２の触媒層３と接合されることによって、その接合の際に電解質膜１にしわが発生してしまうことが抑制される。また、電解質膜１を適切に加熱した上で第２の触媒層３を接合できるため、第２の触媒層３の接合性を向上させることができる。

B．第２実施形態：
図１１は、本発明の第２実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図である。図１１には、第２実施形態の製造装置１００Ａの第２の接合部４０における第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍を抜き出して図示してある。また、図１１には、重力方向を示す矢印Ｇと、熱の伝搬を示す破線矢印と、を図示してある。なお、第２実施形態の製造装置１００Ａの構成は、第１と第２のホットローラー４２，４３に対して電解質膜１が繰り入れられる角度が異なる点以外は、第１実施形態の製造装置１００とほぼ同じである。

第２実施形態の製造装置１００Ａの第２の接合部４０では、第１のホットローラー４２の位置を調整することによって、第１と第２のホットローラー４２，４３の加圧方向（即ち、水平方向）に対して電解質膜１が繰り入れられる角度がほぼ垂直となっている。即ち、第２実施形態の製造装置１００Ａでは、電解質膜１は第１と第２のホットローラー４２，４３に対して重力方向に平行な角度で繰り入れられている。

このような構成であっても、電解質膜１と第２の触媒層３とが接触する位置と、第１と第２のホットローラー４２，４３によって加圧力が付与される位置と、がほぼ一致する。そのため、電解質膜１と第２の触媒層３との間に空気が入り込んでしまうことを抑制でき、第２の触媒層３の接合工程において空気によって電解質膜１にしわが発生してしまうことを抑制できる。

また、第２実施形態の製造装置１００Ａであれば、電解質膜１は温度の比較的低い第１と第２のホットローラー４２，４３の下側を搬送されるため、搬送中の熱収縮が抑制される。さらに、第２実施形態の製造装置１００Ａであれば、電解質膜１を、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる手前において、第１と第２のホットローラー４２，４３の輻射熱によって、適切な温度まで昇温させることができる。ここで、「適切な温度」とは、電解質膜１が熱収縮しすぎない温度であって、接合のために過不足のない温度を意味する。従って、電解質膜１におけるしわの発生を抑制しつつ、第２の触媒層３の接合性の低下を抑制することができる。

なお、第２実施形態の製造装置１００Ａでは、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる前には、電解質膜１に接合されている第１の触媒層２が第１のホットローラー４２の側面に面接触していない。これに対して、第１実施形態の製造装置１００では、第１の触媒層２が、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられる前に、第１のホットローラー４２の側面に面接触している。即ち、第１実施形態の製造装置１００では、接合工程の前に、電解質膜１の変形を抑制した状態で電解質膜１を確実に昇温させることができる。従って、この点においては、第１実施形態の製造装置１００の構成の方が第２実施形態の製造装置１００Ａの構成より好ましい。

C．第３実施形態：
図１２は、本発明の第３実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図である。図１２には、第３実施形態の製造装置１００Ｂの第２の接合部４０における第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍を抜き出して図示してある。また、図１２には、図１１と同様に、重力方向を示す矢印Ｇと、熱の伝搬を示す破線矢印と、を図示してある。さらに、図１２には、図１０と同様に、第１のホットローラー４２による加圧方向を示す矢印と、第１と第２のホットローラー４２，４３に対する電解質膜１の繰り入れ方向を示す矢印とを図示してある。第３実施形態の製造装置１００Ｂの構成は、第１と第２のホットローラー４２，４３に対して電解質膜１が繰り入れられる角度αが異なる点以外は、第１実施形態の製造装置１００とほぼ同じである。

第３実施形態の製造装置１００Ｂの第２の接合部４０では、第１の入口ローラー４４の位置を調整することによって、電解質膜１の繰り入れられる方向が、第１のホットローラー４２に向かって斜め上方向になっている。即ち、電解質膜１の繰り入れられる方向と第１のホットローラー４２の加圧方向との間の角度であって、第１のホットローラー４２側の角度が９０°よりも大きくなっている（α＞９０°）。これによって、電解質膜１は、第２のホットローラー４３の側面上において第２の触媒層３と重なり合って第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられることになる。

このような構成であっても、比較例の製造装置１００ａのように、第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって生じる上昇気流によって電解質膜１が昇温されてしまうことがない。従って、第２の触媒層３の接合工程において電解質膜１にしわが発生してしまうことが抑制される。また、電解質膜１を第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって昇温させた上で、第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れることができるため、電解質膜１と第２の触媒層３との接合性を向上させることができる。

ただし、第３実施形態の製造装置１００Ｂでは、電解質膜１と第２の触媒層３とが第１と第２のホットローラー４２，４３によって加圧される手前の位置において、電解質膜１と第２の触媒層３とが面接触している。そのため、電解質膜１と第２の触媒層３とが接合される前の電解質膜１の熱収縮によって、電解質膜１と第２の触媒層３との間にせん断力が発生し、電解質膜１にしわが発生してしまう可能性がある。従って、この点において、第１実施形態の製造装置１００の構成や第２実施形態の製造装置１００Ａの構成の方が、第３実施形態の製造装置１００Ｂの構成より好ましい。

D．第４実施形態：
図１３は、本発明の第４実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を説明するための模式図である。図１３には、第４実施形態の製造装置１００Ｃの第２の接合部４０における第１と第２のホットローラー４２，４３の近傍を抜き出して図示してある。また、図１３には、図１２と同様に、重力方向を示す矢印Ｇを図示してある。なお、第４実施形態の製造装置１００Ｃの構成は、第１と第２のホットローラー４２，４３の配列方向が異なる点と、第１と第２のホットローラー４２，４３に対して電解質膜１および第２の触媒層３が繰り入れられる角度が異なる点以外は、第１実施形態の製造装置１００とほぼ同じである。

第４実施形態の製造装置１００Ｃの第２の接合部４０では、第１と第２のホットローラー４２，４３が、第１のホットローラー４２を下側として、重力方向に沿って並列に配列されている。また、第１の触媒層２が接合された電解質膜１は、第１のホットローラー４２の回転によって、重力方向下方から第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れられている。一方、第３のシート基材３ｓに配置された第２の触媒層３は、第２のホットローラー４３の回転によって、重力方向上方から第１と第２のホットローラー４２，４３の間に向かって繰り入れられている。このような構成であっても、第２の触媒層３に接触する前の電解質膜１が、第１と第２のホットローラー４２，４３の熱によって生じる上昇気流に曝されることがない。従って、第２の触媒層３の接合工程において電解質膜１にしわが生じてしまうことが抑制される。

E．変形例：
E1．変形例１：
上記実施形態では、膜電極接合体の製造装置１００，１００Ａ〜１００Ｃは、電解質膜１に第１の触媒層２を接合する第１の接合部２０を備えていた。しかし、電解質膜１に第１の触媒層２を接合する第１の接合部２０は省略されても良い。即ち、上記実施形態における膜電極接合体の製造装置１００，１００Ａ〜１００Ｃは、電解質膜１と第２の触媒層３との接合装置として構成されても良い。

E2．変形例２：
上記実施形態では、膜電極接合体の製造装置１００，１００Ａ〜１００Ｃは、帯状の電解質膜１に対して連続的に複数の第２の触媒層３を接合していた。しかし、膜電極接合体の製造装置１００，１００Ａ〜１００Ｃは、帯状の電解質膜１に対して連続的に複数の第２の触媒層３を接合しなくても良い。膜電極接合体の製造装置１００，１００Ａ〜１００Ｃは、１つの電解質膜１に対して１つの第２の触媒層３を接合する装置として構成されても良い。

E3．変形例３：
上記実施形態では、第３のシート基材３ｓを第２のホットローラー４３の側面に面接触させつつ、第２の触媒層３を第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れていた。しかし、第２の触媒層３を第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れるときに、第３のシート基材３ｓを第２のホットローラー４３の側面に面接触させなくても良い。例えば、第２実施形態において、第２の触媒層３が電解質膜と重ね合わされた状態で第３のシート基材３ｓを重力方向に沿って第１と第２のホットローラー４２，４３の間に繰り入れても良い。

E4．変形例４：
上記実施形態では、第２の接合部４０の第１と第２のホットローラー４２，４３は、水平方向または重力方向に沿って並列に配列されていた。しかし、第１と第２のホットローラー４２，４３は、他の角度で並列に配列されていても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…電解質膜
１ｓ…第１のシート基材
２…第１の触媒層
２ｓ…第２のシート基材
３…第２の触媒層
３ｓ…第３のシート基材
５…膜電極接合体
６…ガス拡散層
２０…第１の接合部
２１…電解質膜繰出部
２２…第１の触媒層繰出部
２３…第１のホットローラー
２４…第２のホットローラー
３０…シート剥離部
３１…第１のシート回収部
３２…第２のシート回収部
３３ａ…第１の剥離ローラー
３３ｂ…第２の剥離ローラー
４０…第２の接合部
４１…第２の触媒層繰出部
４２…第１のホットローラー
４３…第２のホットローラー
４４…第１の入口ローラー
４５…第２の入口ローラー
５０…搬送ローラー
１００，１００Ａ〜１００Ｃ，１００ａ…製造装置
２００…切出装置
２１０…接合部
２１１…第１のホットローラー
２１２…第２のホットローラー
２２０…打抜部
２２１…上型部
２２２…下型部
ＣＬ…切断線

Claims (6)

1. 燃料電池用の電解質膜と、燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材と、を接合する接合装置であって、
   前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で挟み、加熱するとともに加圧して繰り出す一対のローラーと、
   前記電解質膜を前記一対のローラーに搬送して、前記一対のローラーの間に重力方向下方から繰り入れる第１の搬送路と、
   前記電極部材を前記一対のローラーへと搬送して、前記一対のローラーの間に重力方向下方から繰り入れる第２の搬送路と、
   を備える、接合装置。
2. 請求項１記載の接合装置であって、
   前記電解質膜は帯状の部材であり、
   前記電極部材は、前記電解質膜の面内に収まるサイズを有しており、
   前記第１の搬送路は、前記電解質膜を長尺方向に沿って搬送し、
   前記第２の搬送路は、複数の前記電極部材が離間して配列された帯状の搬送フィルムを、前記搬送フィルムの長尺方向に沿って搬送し、複数の前記電極部材を前記搬送フィルムとともに前記一対のローラ−の間に繰り入れる、接合装置。
3. 請求項２記載の接合装置であって、
   前記一対のローラーは、前記電解質膜と前記電極部材とを、前記電解質膜の側から加圧する第１のローラーと、前記電極部材の側から加圧する第２のローラーと、を含み、
   前記第１の搬送路は、前記第１のローラーの加圧方向と前記一対のローラーに対して前記電解質膜が繰り入れられる方向との間の角度であって前記第１のローラー側の角度が９０度以下となるように、前記電解質膜を搬送する、接合装置。
4. 請求項３記載の接合装置であって、
   前記第１の搬送路は、前記電解質膜を、前記第１のローラーの側面に沿わせて、前記第１のローラーと前記第２のローラーの間に繰り入れる、接合装置。
5. 請求項３または４記載の接合装置であって、
   前記第２の搬送路は、前記搬送フィルムを前記第２のローラーの側面に面接触させつつ、前記電極部材を前記第１のローラーと前記第２のローラーとの間に繰り入れる、接合装置。
6. 燃料電池用の電解質膜と、燃料電池用の電極を構成する膜状の電極部材と、を接合する方法であって、
   （ａ）互いに対向して配置されて、互いに反対方向に回転する一対のローラーの間に、前記電解質膜を重力方向下方から繰り入れる工程と、
   （ｂ）前記一対のローラーの間に、前記電極部材を前記電解質膜とともに重力方向下方から繰り入れる工程と、
   （ｃ）前記電解質膜と、前記電極部材と、を互いに接触させた状態で、前記一対のローラーによって加熱するとともに加圧する工程と、
   を備える、方法。

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