JP6079381B2

JP6079381B2 - 膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置

Info

Publication number: JP6079381B2
Application number: JP2013074274A
Authority: JP
Inventors: 谷脇　和磨; 和磨谷脇
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199741A

Description

本発明は、膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置に関する。

近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。

高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜である高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）で挟んだ構造となっており、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ・・・（２）

アノード及びカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層の積層構造からなる。アノード側触媒層に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる（反応１）。プロトンは、アノード側触媒層内の高分子電解質、高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側触媒層では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスが反応して水を生成する（反応２）。このように、電子が外部回路を通ることにより発電する。

従来、膜電極接合体の製造方法としては、触媒を担持した炭素粒子、高分子電解質及び溶媒からなる触媒層用スラリーを作製して、触媒層用スラリーを高分子電解質膜に直接塗工して作製する方法や、電極転写基材又はガス拡散層に塗工した後、高分子電解質膜に熱圧着して作製する方法が知られている。

高分子電解質膜に触媒層を直接塗工形成する方法は、副資材低減や工程数削減の面で利点も多いが、高分子電解質膜は溶剤を吸収して膨潤するため、変形や寸法変動を起こしやすい。高分子電解質膜の種類によっては膨潤率の低いものもあるが、膜種が限られてしまうという難点がある。
転写法は、転写基材に触媒層を形成し、乾燥後に高分子電解質膜へ触媒層を転写する方法である（例えば、特許文献１参照。）。従って、高分子電解質膜が溶剤によって膨潤することはない。寸法を厳密に管理する場合に有効な製造方法である。

特開２００８−１０３２５１号公報

転写法の製造プロセスは以下に記述する通りである。まず転写基材に触媒層を形成する。塗工方法にはダイ塗工を用いる場合が多い。アノード電極、カソード電極の２種を形成する。塗工後は減圧乾燥や焼成によって触媒層中の溶剤を十分に除去する。
次に転写基材に形成した触媒層を高分子電解質膜に転写する。転写方法には熱ラミネート法を採用する場合が多い。この際、アノード電極とカソード電極をアライメントし、ずれ無く貼合する。貼合後は転写基材を剥離するため、転写基材は、触媒層との剥離性が良好な基材を選定する必要がある。

以上の製造プロセスにおいて、困難とされているのが貼合工程である。高分子電解質膜は熱の影響によっても変形する。従って、常温でアライメントした後に熱ラミネートすると、変形によるシワの発生やカールが発生する。
そこで考案されたのが、アライメントの段階で、転写基材と高分子電解質膜の双方を過熱する方法である。双方を熱ラミネート温度と同一温度に加熱し、アライメント実施の後に熱ラミネートすれば、変形することなく、アライメントされた状態で接合することができる。

しかし、問題となるのが加熱しながらアライメントする方法である。ホットプレート上にて人手による作業でアライメントすることはできるが、当然、アライメント精度が低く、作業効率も悪い。また、高分子電解質膜と転写基材の間にエアが混入してしまうという不具合も発生する。
上記作業を自動化することは難しい。基材を双方加熱しながらアライメントするプロセスは、事例が少ない。また、高分子電解質膜が薄膜で伸びやすく、テンションをかけられないという点も問題である。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、電解質膜と、第一、第二の転写基板のそれぞれにおいて、変形によるシワ、寸法変動、シートカールの発生等を抑制できるようにした膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第二の電極触媒層と、を備える膜電極接合体の製造方法であって、前記第一の電極触媒層を一方の面に有する第一の転写基材を用意し、該第一の転写基材の他方の面を加温可能な第一のステージで支持する第一の工程と、前記電解質膜を加温可能な第二のステージで支持する第二の工程と、前記第一のステージと前記第二のステージを互いに対向させて、前記第一の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付すると共に、前記電解質膜を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させる第三の工程と、前記第二の電極触媒層を一方の面に有する第二の転写基材を用意し、該第二の転写基材の他方の面を、前記電解質膜が前記第一のステージに移動することにより空いた前記第二のステージで支持する第四の工程と、前記第一のステージと前記第二のステージとを対向させて、前記第二の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付すると共に、前記第二の電極触媒層を有する前記第二の転写基材を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させる第五の工程と、を備え、前記第五の工程では、前記第二の電極触媒層が前記第一の電極触媒層と平面視で重なるように、前記第二の転写基材を前記第一の転写基材に対して相対的に位置合わせすることを特徴としてもよい。

また、上記の膜電極接合体の製造方法において、前記第一のステージと前記第二のステージは多孔質材からなることを特徴としてもよい。
また、上記の膜電極接合体の製造方法において、前記第一のステージ及び前記第二のステージの一方は円柱状ステージであり、前記第一のステージ及び前記第二のステージの他方は平板状ステージであり、前記第三の工程では、前記円柱状ステージを前記平板状ステージ上で転動させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付し、前記第五の工程では、前記円柱状ステージを前記平板状ステージ上で転動させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付することを特徴としてもよい。

また、上記の膜電極接合体の製造方法において、前記第三の工程では、前記円柱状ステージ及び前記平板状ステージの一方が、前記円柱状ステージと前記平板状ステージとが前記電解質膜を介して接触した箇所から順に、該電解質膜の支持を解除することを特徴としてもよい。
また、上記の膜電極接合体の製造方法において、前記第五の工程では、前記円柱状ステージ及び前記平板状ステージの一方が、前記円柱状ステージと前記平板状ステージとが前記第二の転写基材を介して接触した箇所から順に、該第二の転写基材を支持する状態を解除することを特徴としてもよい。

また、上記の膜電極接合体の製造方法において、平面視で、前記第二の転写基材は前記電解質膜を相似状に拡大した形と大きさを有し、前記電解質膜は前記第一の転写基材を相似状に拡大した形と大きさを有することを特徴としてもよい。
また、上記の膜電極接合体の製造方法において、平面視で、前記第一の転写基材の面積は前記電解質膜の面積の９０％以下であり、前記第二の転写基材の面積は前記電解質膜の面積の１１０％以上であることを特徴としてもよい。
また、上記の膜電極接合体の製造方法において、前記第三の工程及び前記第五の工程では、前記第一のステージと前記第二のステージの温度差を３℃以下に設定することを特徴としてもよい。

本発明の別の態様に係る膜電極接合体の製造装置は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第二の電極触媒層と、を備える膜電極接合体を製造するための、膜電極接合体の製造装置であって、加熱可能な第一のステージと、加熱可能な第二のステージと、を備え、前記第一のステージは、前記第一の電極触媒層を一方の面に有する第一の転写基材の他方の面を支持し、前記第二のステージは前記電解質膜を支持し、前記第一のステージと前記第二のステージは互いに対向して、前記第一の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付すると共に、前記電解質膜を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させ、前記電解質膜が前記第一のステージに移動することにより空いた前記第二のステージが、前記第二の電極触媒層を一方の面に有する第二の転写基材の他方の面を支持し、前記第一のステージと前記第二のステージは互いに対向して、前記第二の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付すると共に、前記第二の転写基材を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、電解質膜と、第一、第二の転写基材をそれぞれ加温しながら貼合する。例えば、第一、第二の転写基材や電解質膜に、横方向に搬送するための張力を与える必要はない。これにより、電解質膜と、第一、第二の転写基板のそれぞれにおいて、変形によるシワ、寸法変動、シートカールの発生等を抑制することができ、第一、第二の電極触媒層のずれを防止した膜電極接合体を製造することができる。

本発明の実施形態に係る膜電極接合体の構成例（転写基材を剥離する前の状態）を示す断面図である。本発明の実施形態に係る膜電極接合体の構成例（転写基材を剥離した後の状態）を示す断面図である。本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造装置（貼合装置）の構成例を示す概念図である。本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を工程順に示す概念図である。平板状ステージ７上にフィルム基材を積層して膜電極接合体を形成した場合の構成例を示す平面図と断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置について説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の構成例を示す断面図である。
図１は、転写法によって膜電極接合体を作製した際の、転写基材を剥離する前の状態を示している。また、図２は、転写基材を剥離した後の状態を示している。

図１に示すように、転写基材を剥離する前の膜電極接合体は、例えば、高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の一方の面（例えば、上面）に設けられたアノード電極触媒層３と、高分子電解質膜１の一方の面に設けられてアノード電極触媒層３を覆うアノード側転写基材２と、高分子電解質膜１の他方の面（例えば、下面）に設けられたカソード電極触媒層５と、高分子電解質膜１の他方の面に設けられてカソード電極触媒層５を覆うカソード側転写基材４と、を備える。図１に示す状態からアノード側転写基材２とカソード側転写基材４を剥離することによって、図２に示すような膜電極接合体を得ることができる。

図３は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造装置（貼合装置）の構成例を示す概念図である。図３に示すように、この貼合装置は、円柱の外周側面（即ち、ロール面）を支持面とする円柱状ステージ６と、平板の表面（即ち、平面）を支持面とする平板状ステージ７とを備える、簡易な構造である。円柱状ステージ６と平板状ステージ７は、例えば、それぞれが多孔質材からなるものであり、５０μｍ以下の直径からなる孔径を有することが望ましい。

図３には記載していないが、多孔質材からなる円柱状ステージ６及び平板状ステージ７には、真空吸引機構がそれぞれ接続されている。円柱状ステージ６及び平板状ステージ７にそれぞれ真空吸引機構を接続することにより、設置したフィルム基材（例えば、高分子電解質膜１、アノード側転写基材２、アノード電極触媒層３、カソード側転写基材４、カソード電極触媒層５）を各ステージ上に吸着させることができる。
吸着ステージに多孔質材を採用する理由は、フィルム基材全面を強固にステージに吸着させるためである。通常の規則的に吸着孔が開口されたステージでは、基材全面を吸着することが難しく、特に高分子電解質膜は吸着のムラにより変形、寸法変動を生じやすい。

多孔質ステージの材質は特に限定するものではないが、樹脂製、又はセラミックス製のものを採用する場合が一般的である。樹脂製のものは変形が可能なため、本発明の実施形態における円柱状ステージへの展開が容易となる。セラミックス製のものは平坦度が良好であるという特徴があり、円柱状ステージへの加工も可能であるが、高価であるという難点がある。また、セラミックスは剛性が高く、貼合の際にクッション性が求められるような場合には向かない。

また、図３には記載していないが、円柱状ステージ６及び平板状ステージ７は加温可能な機構を具備している。加熱の方法は限定するものではないが、多孔質材に熱源を搭載することは困難であるため、熱源の上に多孔質材を載せる方法を採用する。円柱状ステージの場合は、円柱状の熱源の外側を多孔質材で覆う機構をとることで、多孔質材を加温することができる。

円柱状ステージ６と平板状ステージ７との温度差は、３度以下であることが好ましい。これは特に高分子電解質膜の変形を回避するためである。本発明者は、３度以上の温度差がある場合、貼合後に変形を生じることを確認している。
また、図３には記載していないが、円柱状ステージ６及び平板状ステージ７の少なくとも一方は、Ｘ、Ｙ、θ方向に対し稼動可能であることが望ましい。ここでＸ，Ｙ、θ方向とは、平板状ステージの面内方向を意味する。これは転写基材と高分子電解質膜を貼合する際に、貼合位置を合わせるためである。また、アノード側転写基材２とカソード側転写基材４をアライメント貼合する際にも使われる。

以下、図４の貼合工程フローを使って、具体的な貼合方法について説明する。ここでは、円柱状ステージにフィルム基材を順次積層させる方法について述べる。
図４（ａ）〜（ｋ）は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を工程順に示す概念図である。
図４（ａ）はフィルム基材を設置する前の状態である。まず、平板状ステージ７を所望の温度まで加温する。次に、図４（ｂ）は、貼合温度まで加温した平板状ステージ７上に、例えばカソード側転写基材４を設置する工程である。カソード側転写基材４は、そのカソード電極触媒層５を有する面（即ち、一方の面）を平板状ステージ７の側に向けた状態で平板状ステージ７上に配置する。そして、カソード側転写基材４が十分に加温された後に、カソード側転写基材４を平板状ステージ７上に真空吸着する。

なお、図４（ｂ）の工程で設置する転写基材は、アノード電極用、カソード電極用のどちらでも構わない。即ち、図４（ｂ）では、カソード側転写基材４ではなく、アノード側転写基材２を平板状ステージ７上に設置してもよい。その場合は、後述の図４（ｈ）に示す工程で、平板状ステージ７上にカソード側転写基材４を設置すればよい。
図４（ｃ）は貼合開始工程である。平板状ステージ７上で円柱状ステージ６を転がす（転動させる）ことによって、平板状ステージ７に設置した転写基材（例えば、アノード側転写基材２）を円柱状ステージ６に移すことを目的とする。貼合の際は、円柱状ステージ６と平板状ステージ７の接触した箇所から順に、平板状ステージ７の吸着を解除もしくはエアブローする。これによって、転写基材に過度に応力をかけることなく、これを円柱状ステージ６に移すことができる。

図４（ｃ）の貼合工程においては、最初から転写基材を円柱状ステージ６に設置する方法を取っても構わない。しかし、本発明者は、曲面状の面に転写基材を設置することは容易でないと考える。特に、ライン化を想定する際、ロボットによる作業で曲面上にフィルム基材を設置することは困難であると想定される。この観点から、図４（ｃ）に示すように、転写基材を平板状ステージ７上に一旦設置し、その後で平板状ステージ７から円柱状ステージ６へ転写基材を移す方法が好ましいと本発明者は考える。
図４（ｃ）の貼合工程においては、円柱状ステージ６と平板状ステージ７の接触の際に、応力を調整できる機構があることが好ましい。特に、後に述べる積層貼合の際には応力調整が必須となる。応力が強すぎると基材が変形し、弱すぎるとエア噛みや貼合不良が起こる。

図４（ｄ）は貼合終了の状態である。転写基材、例えばカソード側転写基材４が円柱状ステージ６に設置されている状態が確認できる。ここでは、円柱状ステージ６は、カソード側転写基材４のカソード電極触媒層５を有する面の反対側の面（即ち、他方の面）を吸着している状態を示している。
図４（ｅ）は高分子電解質膜１を設置する工程である。高分子電解質膜１は温度により変形しやすいため、平板状ステージ７等に設置する際は、高分子電解質膜１を十分に加温した後で真空吸着する。

図４（ｆ）はカソード側転写基材４と高分子電解質膜１の積層貼合開始の工程である。既にカソード側転写基材４が設置されている円柱状ステージ６を転がすことによって、平板状ステージ７に設置されている高分子電解質膜１をカソード側転写基材４の上に積層させることを目的とする。貼合の際は、円柱状ステージ６と平板状ステージ７が、高分子電解質膜１とカソード側転写基材４とを介して接触した箇所から順に、平板状ステージ７の吸着を解除もしくはエアブローする（即ち、支持状態を解除する）。これによって、高分子電解質膜１に過度に応力をかけることなく、円柱状ステージ６に移すことができる。

図４（ｆ）の積層貼合工程において、高分子電解質膜１をカソード側転写基材４上に積層する際、基材同士のタックにより積層させることも可能だが、基材のタックが弱い場合には剥離してしまう可能性もある。従って、高分子電解質膜１をカソード側転写基材４よりも大きいサイズにすることによって、円柱状ステージ６に吸着させる必要がある。
ここでは、平面視で、カソード側転写基材４を相似状に拡大した形と大きさの高分子電解質膜１を採用している。相似状に拡大することで、高分子電解質膜１の外周４辺を円柱状ステージ６の表面に吸着することができる。タック性の高い基材を扱う場合は、形状を一方向だけ伸ばすことにより外周２辺を吸着する方法もとれる。

図４（ｇ）はカソード側転写基材４と高分子電解質膜１の積層貼合終了の状態である。円柱状ステージ６の上にカソード側転写基材４と高分子電解質膜１が積層貼合されている状態が分かる。
図４（ｈ）はアノード側転写基材２の設置工程である。アノード側転写基材２は、そのアノード電極触媒層３を有する面（即ち、一方の面）を上側に向けた状態で平板状ステージ７上に配置する。そして、アノード側転写基材２が十分に加温された後に、アノード側転写基材２を平板状ステージ７上に真空吸着する。

図４（ｉ）はカソード側転写基材４とアノード側転写基材２のアライメント工程である。電極形成部分、即ち、カソード電極触媒層５と、アノード電極触媒層３をそれぞれアライメントカメラ９で読み取り、カソード側転写基材４とアノード側転写基材２をアライメント貼合する。例えば、アノード電極触媒層３がカソード電極触媒層５と平面視で重なるように、アノード側転写基材２をカソード側転写基材４に対して相対的に位置合わせする。アライメント方法は特に限定するものではないが、読み取った画像を処理し、Ｘ，Ｙ，θ軸を補正することによって貼合位置精を確定する。

図４（ｊ）はカソード側転写基材４と高分子電解質膜１の積層体に、更にアノード側転写基材２を積層する貼合開始工程である。既にカソード側転写基材４と高分子電解質膜１の積層体が設置されている円柱状ステージ６を平板状ステージ７上で転がすことによって、平板状ステージ７に設置されているアノード側転写基材２を更に積層させることを目的とする。貼合の際は、円柱状ステージ６と平板状ステージ７の接触した箇所から順に、平板状ステージ７の吸着を解除もしくはエアブローする。これによって、アノード側転写基材２に過度に応力をかけることなく、これを円柱状ステージ６に移すことができる。

図４（ｊ）の転写工程において、アノード側転写基材２のサイズを高分子電解質膜１より大きくする必要がある。ここでは、平面視で、高分子電解質膜１を相似状に拡大した形と大きさのアノード側転写基材２を採用している。これにより、アノード側転写基材２の外周４辺を円柱状ステージ６の表面に吸着することができる。前述の通り、外周２辺の吸着でも構わない。

図４（ｋ）はカソード側転写基材４と高分子電解質膜１の積層体に、更にアノード側転写基材２を積層する貼合終了の状態である。円柱状ステージ６の上にカソード側転写基材４と高分子電解質膜１、更にアノード側転写基材２の３層が積層貼合されている状態が分かる。
この実施形態では、高分子電解質膜１が本発明の「電解質膜」に対応し、カソード電極触媒層５が本発明の「第一の電極触媒層」に対応し、アノード電極触媒層３が本発明の「第二の電極触媒層」に対応している。また、カソード側転写基材４が本発明の「第一の転写基材」に対応し、アノード側転写基材２が本発明の「第二の転写基材」に対応している。

（実施形態の効果）
本発明の実施形態は、以下の効果を奏する。
（１）高分子電解質膜１と、アノード側転写基材２及びカソード側転写基材４をそれぞれ加温しながら貼合する。例えば、高分子電解質膜１や、アノード側転写基材２及びカソード側転写基材４に、横方向に搬送するための張力を与える必要はない。これにより、高分子電解質膜１と、アノード側転写基材２及びカソード側転写基材４のそれぞれにおいて、変形によるシワ、寸法変動、シートカールの発生等を抑制することができ、アノード電極触媒層３とカソード電極触媒層５のずれを防止した膜電極接合体を製造することができる。

（２）また、円柱状ステージ６と平板状ステージ７を採用し、円柱状ステージ６を平板状ステージ７上で転がしながら、高分子電解質膜１と、アノード側転写基材２及びカソード側転写基材４をそれぞれ貼合する。これにより、高分子電解質膜１とアノード側転写基材２や、高分子電解質膜１とカソード側転写基材４を貼合する際に、エア噛みを防止しつつ膜電極接合体を製造することができる。

（３）また、小サイズのフィルム基材から順に積層させる（例えば、カソード側転写基材４、高分子電解質膜１、アノード側転写基材２の順に積層させる）。例えば、平面視で、高分子電解質膜１と、アノード側転写基材２及びカソード側転写基材４の各形状は互いに相似である。そして、カソード側転写基材４の面積が最も小さく、次いで、高分子電解質膜１、アノード側転写基材２の順に大きくなっている。

これにより、例えば３層を積層した状態でも、各フィルム基材の外周を円柱状ステージ６の外周側面で吸着することができるため、アライメントされた状態の積層基材を、円柱状ステージ６上に保持することができる。
なお、カソード側転写基材４の面積は高分子電解質膜１の面積の９０％以下であり、アノード側転写基材２の面積は高分子電解質膜１の面積の１１０％以上であることが好ましい。これにより、アライメントされた状態の積層基材を、円柱状ステージ６から剥がれることなく十分なマージンをもって保持することができる。

（４）また、円柱状ステージ６の外周側面にカソード側転写基材４、高分子電解質膜１、アノード側転写基材２を順に積層させる。これにより、熱ラミネート等の次工程で使われる、例えば金属製プレートに移載する際に、平板状ステージに金属製プレートを載せて加温した後に、膜電極接合体を当該金属製プレートに移載することができる。このため、膜電極接合体の温度を下げることなく金属製プレートごと次工程に流すことができる。

（５）また、フィルム基材を積層する（例えば、カソード側転写基材４上に高分子電解質膜１を積層したり、高分子電解質膜１上にアノード側転写基材２を積層する）際に、円柱状ステージ６と平板状ステージ７とがフィルム基材を介して接触した箇所から順に、平板状ステージ７のみ吸着を解除、又はエアブローを行う。これにより、フィルム基材を過度な応力をかけることなく平板状ステージ７から剥離すると共に、これを円柱状ステージ６に積層することができる。
（６）また、フィルム基材を積層する際は、円柱状ステージ６と平板状ステージ７の温度差を３℃以下に設定することが好ましい。これにより、貼合時の温度の差によって生じるフィルム基材の変形やシワの発生、寸法の変動を回避することができる。

（変形例）
上記の実施形態では、平板状ステージ７上からフィルム基材を順次剥離して、これを円柱状ステージ６上に積層する場合について説明した。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、円柱状ステージ６上からフィルム基材を順次剥離して、これを平板状ステージ７上に積層してもよい。

図５（ａ）及び（ｂ）は、平板状ステージ７上にフィルム基材を積層して膜電極接合体を形成した場合の構成例を示す平面図と断面図である。図５（ａ）及び（ｂ）に示すような構成であっても、上記した実施形態の効果（１）〜（３）、（５）、（６）を奏する。
また、円柱状ステージ６上にフィルム基材を積層させる場合は曲面への吸着による応力歪みが発生し易いが、平板状ステージ７上にフィルム基材を積層させる場合は、フィルム基材での応力歪みの発生をさらに回避することができる。従って、膜電極接合体のシートカールがさらに発生しにくくなるという効果を奏する。

以下、本発明の実施例として、実施形態に沿った膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置について説明する。本実施例においては、基本的に図４に示した工程フローに沿って実験を実施した。
カソード側転写基材４には、厚さ１００μｍテフロン（登録商標）フィルムをそれぞれ採用した。これを１２０ｍｍ□に断裁し、カソード電極触媒層５の塗工を実施した。また、高分子電解質膜１には市販の厚さ５０μｍのものを使用し、１２０×１４０ｍｍに断裁した。アノード側転写基材２は１２０×１６０ｍｍに断裁し、これによって外周２辺を吸着する方法を採用した。

５０ｍｍ□のアノード電極触媒層３及びカソード電極触媒層５をそれぞれ形成するため、転写基材にはマスキングテープによって５０ｍｍ□の開口を設けた後に塗工を実施した。塗工方法は簡易のバーコート方式により行い、乾燥後にマスキングテープを剥離した。
貼合装置は図３に示すものとほぼ同等の試験的な装置を使用した。円柱状ステージ６は、ステンレス製の円柱状ヒーターにポリプロピレン樹脂からなる多孔質材を巻きつけることによって作製した。孔径は直径２０μｍの多孔質樹脂を採用した。

平板状ステージ７には、アルミナを材質とした多孔質プレートを採用した。孔径は、ポリプロピレン樹脂と同じ直径２０μｍである。これをホットプレート上に設置することによって加温型のステージとした。
円柱状ステージ６、及び平板状ステージ７の温度は１００℃とし、貼合の動作は手動にて円柱状ステージ６を転がすのみとした。つまり圧力は円柱状ステージ６の重さ約５ｋｇによって決まる。

貼合の際の吸着解除に関しては、順次解除の制御ができなかったため、貼合の開始前に平板状ステージ７の吸着を全面開放する方法を取った。
アライメントカメラ９は平板状ステージ７の上に１箇所設置し、大視野により電極パターン全域を画像認識させた。カソード側転写基材４の電極パターンを画像モニター上に記録し、これにアノード側転写基材２の端部を合わせることでアライメント動作とした。

以上に述べた基材、及び装置を使用し、図４に示した通りの工程フローで貼合を実施した結果、フィルム基材の変形やエア噛み、シワ発生の無い膜電極接合体を作製することができた。また、カソード側転写基材４とアノード側転写基材２のアライメントも、ずれ量５０μｍ以下で貼合することができた。以上の結果より、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法、及び膜電極接合体の製造装置が実用できると結論づけた。

本発明によれば、エア噛みやシワの発生を抑制でき、尚且つ、アノード、カソードの両電極が位置精度良く貼合された膜電極接合体を簡易に製造することができるという顕著な効果を奏する。このため、例えば、高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法とその製造装置に適用して好適であり、産業上の利用価値が高い。

１高分子電解質膜
２アノード側転写基材
３アノード電極触媒層
４カソード側転写基材
５カソード電極触媒層
６円柱状ステージ
７平板状ステージ
９アライメントカメラ

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第二の電極触媒層と、を備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記第一の電極触媒層を一方の面に有する第一の転写基材を用意し、該第一の転写基材の他方の面を加温可能な第一のステージで支持する第一の工程と、
前記電解質膜を加温可能な第二のステージで支持する第二の工程と、
前記第一のステージと前記第二のステージを互いに対向させて、前記第一の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付すると共に、前記電解質膜を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させる第三の工程と、
前記第二の電極触媒層を一方の面に有する第二の転写基材を用意し、該第二の転写基材の他方の面を、前記電解質膜が前記第一のステージに移動することにより空いた前記第二のステージで支持する第四の工程と、
前記第一のステージと前記第二のステージとを対向させて、前記第二の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付すると共に、前記第二の電極触媒層を有する前記第二の転写基材を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させる第五の工程と、を備え、
前記第五の工程では、前記第二の電極触媒層が前記第一の電極触媒層と平面視で重なるように、前記第二の転写基材を前記第一の転写基材に対して相対的に位置合わせすることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
前記第一のステージと前記第二のステージは多孔質材からなることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記第一のステージ及び前記第二のステージの一方は円柱状ステージであり、
前記第一のステージ及び前記第二のステージの他方は平板状ステージであり、
前記第三の工程では、前記円柱状ステージを前記平板状ステージ上で転動させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付し、
前記第五の工程では、前記円柱状ステージを前記平板状ステージ上で転動させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記第三の工程では、前記円柱状ステージ及び前記平板状ステージの一方が、前記円柱状ステージと前記平板状ステージとが前記電解質膜を介して接触した箇所から順に、該電解質膜の支持を解除することを特徴とする請求項３に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記第五の工程では、前記円柱状ステージ及び前記平板状ステージの一方が、前記円柱状ステージと前記平板状ステージとが前記第二の転写基材を介して接触した箇所から順に、該第二の転写基材を支持する状態を解除することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の膜電極接合体の製造方法。
平面視で、前記第二の転写基材は前記電解質膜を相似状に拡大した形と大きさを有し、前記電解質膜は前記第一の転写基材を相似状に拡大した形と大きさを有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。
平面視で、前記第一の転写基材の面積は前記電解質膜の面積の９０％以下であり、前記第二の転写基材の面積は前記電解質膜の面積の１１０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記第三の工程及び前記第五の工程では、
前記第一のステージと前記第二のステージの温度差を３℃以下に設定することを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第二の電極触媒層と、を備える膜電極接合体を製造するための、膜電極接合体の製造装置であって、
加熱可能な第一のステージと、
加熱可能な第二のステージと、を備え、
前記第一のステージは、前記第一の電極触媒層を一方の面に有する第一の転写基材の他方の面を支持し、
前記第二のステージは前記電解質膜を支持し、
前記第一のステージと前記第二のステージは互いに対向して、前記第一の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第一の電極触媒層を前記電解質膜の一方の面に貼付すると共に、前記電解質膜を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させ、
前記電解質膜が前記第一のステージに移動することにより空いた前記第二のステージが、前記第二の電極触媒層を一方の面に有する第二の転写基材の他方の面を支持し、
前記第一のステージと前記第二のステージは互いに対向して、前記第二の電極触媒層と前記電解質膜とを加熱しながら接触させることにより、前記第二の電極触媒層を前記電解質膜の他方の面に貼付すると共に、前記第二の転写基材を前記第二のステージから前記第一のステージに移動させることを特徴とする膜電極接合体の製造装置。