JP6254877B2 - 触媒層形成方法および触媒層形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に使用する電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成方法および触媒層形成装置に関する。
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（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は、一般的には複数のセルを積層して構成されている。１つのセル（単セル）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んで構成されている。膜・電極接合体は、電解質の薄膜（高分子電解質膜）の両面に触媒層を形成した膜・触媒層接合体（ＣＣＭ：Catalyst-coated membrane）の両側にさらにガス拡散層を配置したものである。高分子電解質膜を挟んで両側に配置された触媒層とガス拡散層とで一対の電極層が構成され、そのうちの一方がアノード電極であり、他方がカソード電極である。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ことにより電気化学反応によって電力が作り出される。
このような膜・触媒層接合体は、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）を塗工し、その触媒インクを乾燥させることによって作成される（例えば、特許文献１参照）。ところが、膜・触媒層接合体の製造工程において、触媒インクを乾燥させた後の触媒層にクラック（ひび割れ）が発生することがあった。クラックは、溶媒を吸収した電解質膜が一旦膨張し、その後乾燥時には収縮することによって触媒層に応力を作用させることに起因して発生するものである。
触媒層にクラックが発生すると、膜・触媒層接合体の耐久性が低くなるとともに、発電が不均一となって燃料電池の発電性能も低下するという問題が生じる。このため、特許文献２には、触媒インクの溶媒中における水比率を調整することによって、電解質膜が多量に溶媒を吸収することを抑制して触媒層にクラックが発生するのを防止することが提案されている。
特開２０１１−１６５４６０号公報 特開２０１３−８９４０７号公報
しかしながら、触媒インクの種類によっては、クラックを防止する目的のためだけに溶媒中の水比率を自由に調整できないこともある。すなわち、触媒インクの種類によっては、特許文献２に開示された技術を適用することができず、クラックの発生が避けられないこともあった。
また、カソード電極では、触媒層における触媒担持量を比較的（アノード電極と比較して）多くする必要がある。触媒担持量を増やすためには、触媒インクの塗工量を増やさなければならないが、そうすると特許文献２に開示の技術によっても電解質膜が多量の溶媒を吸収することとなり、その結果触媒層にクラックが発生しやすくなるという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、触媒層におけるクラックの発生を防止することができる触媒層形成方法および触媒層形成装置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、燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成方法において、前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工する第１塗工工程と、第１塗工工程にて塗工された触媒インクを乾燥させて第１触媒層を形成する第１乾燥工程と、第１触媒層上に触媒インクを塗工する第２塗工工程と、第２塗工工程にて塗工された触媒インクを乾燥させて第２触媒層を形成する第２乾燥工程と、を備え、第１塗工工程および第２塗工工程では、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る触媒層形成方法において、第１乾燥工程の後に、第１触媒層が形成された前記電解質膜を一対のプレスローラによって挟み込んで圧縮するロールプレス工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る触媒層形成方法において、前記一対のプレスローラは、常温から１５０℃以下の範囲内に温調されていることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明に係る触媒層形成方法において、第１触媒層が形成された前記電解質膜を前記一対のプレスローラが挟み込む荷重は、０．１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成方法において、前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工して乾燥させて触媒層を形成する工程を繰り返して触媒層を積層し、初回の塗工によって形成された触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、初回の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量よりも２回目以降の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工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触媒層形成方法において、前記触媒粒子は、白金または白金合金であることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成装置において、前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工する第１塗工部と、第１塗工部から塗工された触媒インクを乾燥させて第１触媒層を形成する第１乾燥部と、第１触媒層上に触媒インクを塗工する第２塗工部と、第２塗工部から塗工された触媒インクを乾燥させて第２触媒層を形成する第２乾燥部と、を備え、第１塗工部および第２塗工部は、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工することを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る触媒層形成装置において、第１触媒層が形成された前記電解質膜を挟み込んで圧縮する一対のプレスローラをさらに備えることを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る触媒層形成装置において、前記一対のプレスローラを常温から１５０℃以下の範囲内に温調する温調部をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項８または請求項９の発明に係る触媒層形成装置において、第１触媒層が形成された前記電解質膜を前記一対のプレスローラが挟み込む荷重は、０．１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る触媒層形成装置において、前記触媒粒子は、白金または白金合金であることを特徴とする。
請求項１から請求項４および請求項６の発明によれば、第１触媒層の上に第２触媒層を形成し、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工するため、第１触媒層のクラックは第２触媒層によって覆われて消滅するとともに、第２触媒層ではクラックが生じにくくなり、触媒層におけるクラックの発生を防止することができる。
特に、請求項２の発明によれば、第１触媒層が形成された電解質膜を一対のプレスローラによって挟み込んで圧縮するため、第１触媒層のクラックが小さくなり、触媒層におけるクラックの発生をより確実に防止することができる。
特に、請求項３の発明によれば、一対のプレスローラは、常温から１５０℃以下の範囲内に温調されているため、より効果的に第１触媒層のクラックを小さくすることができる。
請求項５の発明によれば、電解質膜の表面に触媒層を積層し、初回の塗工によって形成された触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、初回の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量よりも２回目以降の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工するため、最下層のクラックは上層の触媒層によって覆われて消滅するとともに、上層の触媒層ではクラックが生じにくくなり、触媒層におけるクラックの発生を防止することができる。
請求項７から請求項１１の発明によれば、第１触媒層の上に第２触媒層を形成し、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工するため、第１触媒層のクラックは第２触媒層によって覆われて消滅するとともに、第２触媒層ではクラックが生じにくくなり、触媒層におけるクラックの発生を防止することができる。
特に、請求項８の発明によれば、第１触媒層が形成された電解質膜を一対のプレスローラによって挟み込んで圧縮するため、第１触媒層のクラックが小さくなり、触媒層におけるクラックの発生をより確実に防止することができる。
特に、請求項９の発明によれば、一対のプレスローラを常温から１５０℃以下の範囲内に温調するため、より効果的に第１触媒層のクラックを小さくすることができる。
本発明に係る燃料電池の触媒層形成装置の概略構成を示す図である。 図１の触媒層形成装置において電解質膜の表面に触媒層を形成する手順を示すフローチャートである。 単位面積当たりの触媒担持量とクラック数との相関関係を示す図である。 電解質膜の表面に触媒インクが間欠塗工された状態を示す平面図である。 表面に触媒インクの塗膜が形成された電解質膜の断面図である。 表面に触媒層が形成された電解質膜の断面図である。 触媒層上にさらに触媒インクの塗膜が形成された電解質膜の断面図である。 触媒層が二層に形成された電解質膜の断面図である。 二回に分けて触媒インクを塗工した場合における、単位面積当たりの触媒担持量とクラック数との相関関係を示す図である。 第２実施形態の触媒層形成装置の概略構成を示す図である。 第３実施形態の触媒層形成装置の概略構成を示す図である。 図１１の触媒層形成装置において電解質膜の表面に触媒層を形成する手順を示すフローチャートである。 ロールプレス処理を示す図である。 第４実施形態の触媒層形成装置の概略構成を示す図である。
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。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る燃料電池の触媒層形成装置１００の概略構成を示す図である。この触媒層形成装置１００では、帯状の電解質膜２をロールトゥロール方式にて連続搬送しつつ、その電解質膜２の表面に触媒インクを塗工し、その触媒インクを乾燥させて電解質膜２の表面に触媒層（電極層）を形成して固体高分子形燃料電池の膜・触媒層接合体を製造する。本実施形態の触媒層形成装置１００は、電解質膜２の表面に２度にわたって触媒インクを塗工し、乾燥処理も２回行って触媒層を積層形成する。なお、電解質膜２の表面とは、電解質膜２の２つの面のうちの一方面であり、アノード電極またはカソード電極のいずれか一方の触媒層が形成される（本実施形態ではカソード電極の触媒層が形成される）。また、電解質膜２の裏面とは、表面の反対側の他方面であり、表面とは異なる極性の触媒層が形成される。すなわち、表面および裏面は、電解質膜２の両面を単に識別するための表記であり、いずれか特定の面が表面または裏面に限定されるものではない。
第１実施形態の燃料電池の触媒層形成装置１００は、主たる要素として巻出ローラ１１、第１塗工ノズル２１、第１乾燥炉２３、第２塗工ノズル２６、第２乾燥炉２８、および、巻取ローラ１２を備える。また、触媒層形成装置１００は、複数の補助ローラ１６を備えるとともに、装置全体を管理する制御部９０を備える。
巻出ローラ１１は、保護のためのバックシート６が貼り合わされた電解質膜２が巻回されており、その電解質膜２を連続的に送り出す。電解質膜２は、巻出ローラ１１から送り出されて巻取ローラ１２によって巻き取られることにより、第１塗工ノズル２１、第１乾燥炉２３、第２塗工ノズル２６、第２乾燥炉２８の順にロールトゥロール方式にて連続して一定速度で搬送される。
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・触媒層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、巻出ローラ１１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。本実施形態では、電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされている。
巻出ローラ１１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の幅より若干大きい。なお、バックシート６の幅は電解質膜２の幅と同じであっても良い。
巻出ローラ１１から巻取ローラ１２へと向かう電解質膜２の搬送経路の途中に、第１塗工ノズル２１、第１乾燥炉２３、第２塗工ノズル２６および第２乾燥炉２８がこの順で設けられている。第１塗工ノズル２１は、電解質膜２の幅方向に沿ってスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。第１塗工ノズル２１は、その吐出口からの吐出方向が概ね水平方向に沿うように設置されている。また、第１塗工ノズル２１には、その吐出口と第１バックアップローラ１４との間隔を調整する機構および姿勢を規定する機構が付設されている（いずれも図示省略）。
第１バックアップローラ１４は、第１塗工ノズル２１と電解質膜２を挟んで対向して設けられている。第１バックアップローラ１４は、その回転軸が第１塗工ノズル２１の吐出口と平行な水平方向に沿うように回転自在に設けられている。第１バックアップローラ１４は、巻出ローラ１１から送り出されて搬送される電解質膜２の裏面を支持する。より厳密には、第１バックアップローラ１４は直接には電解質膜２の裏面に貼り合わされたバックシート６に接触して電解質膜２を支持する。よって、第１塗工ノズル２１は、その吐出口が第１バックアップローラ１４によって支持される電解質膜２の表面に対向するように設けられる。
第１バックアップローラ１４は、回転軸と垂直な方向に対しては固定されているため、第１塗工ノズル２１の吐出口と第１バックアップローラ１４の外周面との間隔は常に一定である。このため、第１バックアップローラ１４によって支持された電解質膜２と第１塗工ノズル２１の吐出口との間隔は安定して常に一定となる。
第１塗工ノズル２１には、図外のインク供給機構から塗工液として触媒インクが供給される。本実施形態で使用される触媒インクは、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、カソード用の触媒インクの触媒粒子には白金、アノード用の触媒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」）に分散させて触媒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触媒インクとして第１塗工ノズル２１に供給する。
第１塗工ノズル２１は、供給された上述の如き触媒インクを吐出口から吐出し、第１バックアップローラ１４によって支持された状態で走行する電解質膜２の表面に塗工する。第１塗工ノズル２１は、連続して触媒インクを吐出するときには連続塗工を行うことができ、断続的に触媒インクを吐出するときには間欠塗工を行うことができる。また、第１塗工ノズル２１が吐出する触媒インクの吐出流量は、制御部９０が例えばインク供給機構のポンプを制御することによって調整される。
第１乾燥炉２３は、電解質膜２の搬送経路の経路途中であって、第１塗工ノズル２１よりも下流側に設置されている。第１乾燥炉２３は、その内部を通過する電解質膜２に７０〜１２０℃の熱風を吹き付けて加熱することによって、電解質膜２の表面に塗工された触媒インクの乾燥処理を行う。この乾燥処理によって触媒インクから溶剤が蒸発して触媒層が形成される（図６参照）。第１乾燥炉２３としては、公知の熱風乾燥炉を用いることができるが、熱風乾燥以外の遠赤外線、近赤外線、過熱水蒸気を用いた乾燥炉であっても良い。
第１乾燥炉２３を通過した電解質膜２は補助ローラ１６によって案内されて第２塗工ノズル２６に到達する。なお、一部の補助ローラ１６は、触媒層が形成された電解質膜２の表面に接触することとなるが、第１乾燥炉２３にて触媒層は乾燥されているため、触媒インクが補助ローラ１６に付着する問題は防がれる。第２塗工ノズル２６は、第１塗工ノズル２１と同じく、電解質膜２の幅方向に沿ってスリット状の吐出口を備えたスリットノズルである。第２塗工ノズル２６は、その吐出口からの吐出方向が概ね水平方向に沿うように設置されている。また、第２塗工ノズル２６には、その吐出口と第２バックアップローラ１５との間隔を調整する機構および姿勢を規定する機構が付設されている（いずれも図示省略）。
第２バックアップローラ１５は、第２塗工ノズル２６と電解質膜２を挟んで対向して設けられている。第２バックアップローラ１５は、その回転軸が第２塗工ノズル２６の吐出口と平行な水平方向に沿うように回転自在に設けられている。第２バックアップローラ１５は、第１乾燥炉２３から送り出されて搬送される電解質膜２の裏面を支持する（厳密には、バックシート６に接触して電解質膜２を支持）。よって、第２塗工ノズル２６は、その吐出口が第２バックアップローラ１５によって支持される電解質膜２の表面に対向するように設けられる。
第２バックアップローラ１５は、回転軸と垂直な方向に対しては固定されているため、第２塗工ノズル２６の吐出口と第２バックアップローラ１５の外周面との間隔は常に一定である。このため、第２バックアップローラ１５によって支持された電解質膜２と第２塗工ノズル２６の吐出口との間隔は安定して常に一定となる。
第２塗工ノズル２６には、図外のインク供給機構から塗工液として触媒インクが供給される。第２塗工ノズル２６に供給される触媒インクは、上記の第１塗工ノズル２１に供給される触媒インクと同種のものである。第２塗工ノズル２６は、供給された触媒インクを吐出口から吐出し、第２バックアップローラ１５によって支持された状態で走行する電解質膜２の表面に塗工する。但し、第２塗工ノズル２６が吐出する触媒インクの吐出流量は第１塗工ノズル２１の吐出流量と必ずしも同じではない。第２塗工ノズル２６が吐出する触媒インクの吐出流量は、制御部９０が例えばインク供給機構のポンプを制御することによって調整される。
第２乾燥炉２８は、電解質膜２の搬送経路の経路途中であって、第２塗工ノズル２６よりも下流側に設置されている。第２乾燥炉２８は、その内部を通過する電解質膜２に７０〜１２０℃の熱風を吹き付けて加熱することによって、電解質膜２の表面に塗工された触媒インクの乾燥処理を行う。第２乾燥炉２８としては、第１乾燥炉２３と同じく公知の熱風乾燥炉を用いることができるが、熱風乾燥以外の遠赤外線、近赤外線、過熱水蒸気を用いた乾燥炉であっても良い。
第２乾燥炉２８を通過した電解質膜２は補助ローラ１６によって案内されて巻取ローラ１２によって巻き取られる。巻取ローラ１２は、裏面にバックシート６が貼り合わされたまま表面に触媒層が形成された電解質膜２を巻き取る。また、巻取ローラ１２は、巻出ローラ１１から送り出されたバックシート付きの電解質膜２に一定の張力を与える。
また、電解質膜２の搬送経路の経路途中であって、第１乾燥炉２３と第２塗工ノズル２６との間に、画像処理ユニット１７が設けられている。画像処理ユニット１７は、例えばＣＣＤカメラなどの撮像器および画像データ解析機器を備えており、第１乾燥炉２３から送り出されて第２塗工ノズル２６に向けて搬送される電解質膜２の表面を撮像器によって撮像する。画像処理ユニット１７は、撮像器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上における触媒層の形成位置を検出して特定する。画像処理ユニット１７による検出結果は制御部９０に伝達される。
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、触媒層形成装置１００に設けられた各動作機構が制御されて触媒層の形成処理が進行する。
燃料電池の触媒層形成装置１００には上記の構成以外にも適宜の要素が設けられていても良い。例えば、バックシート６とともに表面にフロントシートが貼り合わされた電解質膜２を使用する場合には、そのフロントシートを剥離する機構が設けられていても良い。また、電解質膜２に作用する張力を調整する機構が設けられていても良い。
次に、上記の構成を有する燃料電池の触媒層形成装置１００における処理手順について説明する。図２は、触媒層形成装置１００において電解質膜２の表面に触媒層を形成する手順を示すフローチャートである。以下に説明する処理手順は、制御部９０が触媒層形成装置１００の各動作機構を制御することにより進行する。
まず、巻出ローラ１１が電解質膜２を巻き出す（ステップＳ１１）。巻出ローラ１１から巻き出された電解質膜２が巻取ローラ１２によって巻き取られることにより、電解質膜２はロールトゥロール方式にて連続して一定速度で搬送される。巻出ローラ１１から巻き出された電解質膜２の裏面にはバックシート６が貼り合わされている。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が電解質膜２の裏面に貼り付けられた状態となっている。巻出ローラ１１には、そのような電解質膜２が巻回されており、未処理の電解質膜２として巻き出される。
巻出ローラ１１から送り出されて搬送される電解質膜２の表面には、第１塗工ノズル２１から触媒インクが塗工される（ステップＳ１２）。固体高分子形燃料電池の電解質膜２に塗工する触媒インクは、上述した通りのものであり、白金または白金合金などの触媒粒子を含有する。第１実施形態では、第１塗工ノズル２１は、カソード電極用の触媒インクを電解質膜２の表面に塗工する。
第１塗工ノズル２１は、第１バックアップローラ１４によって支持されつつ一定速度で連続搬送される電解質膜２の表面に触媒インクを塗工する。第１バックアップローラ１４によって安定して支持された電解質膜２の表面と第１塗工ノズル２１の吐出口との間隔は常に一定である。このため、第１塗工ノズル２１は、電解質膜２の表面に触媒インクを均一に塗工することができ、電解質膜２の表面に形成される塗膜の幅および膜厚は均一となる。
一定速度で搬送される電解質膜２の表面に第１塗工ノズル２１から一定の吐出流量で触媒インクを塗工すると、電解質膜２の表面に載せられる単位面積当たりのインク量が規定される。電解質膜２の搬送速度が速くなるほど、また第１塗工ノズル２１からの吐出流量が小さくなるほど、電解質膜２の表面に形成される触媒インクの塗膜の厚さが薄くなって単位面積当たりのインク量が少なくなる。逆に、電解質膜２の搬送速度が遅くなるほど、また第１塗工ノズル２１からの吐出流量が大きくなるほど、電解質膜２の表面に形成される触媒インクの塗膜の厚さが厚くなって単位面積当たりのインク量が多くなる。
電解質膜２の表面に載せられる単位面積当たりのインク量は、乾燥後における電解質膜２表面の単位面積当たりの触媒担持量に比例する。従って、単位面積当たりの触媒担持量を多くするためには、電解質膜２の表面に形成される触媒インクの塗膜の厚さを厚くして単位面積当たりのインク量を多くすればよい。また、単位面積当たりの触媒担持量を少なくするためには、電解質膜２の表面に形成される触媒インクの塗膜の厚さを薄くして単位面積当たりのインク量を少なくすればよい。
本願発明者等は、触媒インクの乾燥時に触媒層に発生するクラックについて鋭意調査を行ったところ、単位面積当たりの触媒担持量と発生するクラックの個数とに相関があることを見出した。図３は、単位面積当たりの触媒担持量とクラック数との相関関係を示す図である。同図の横軸には、単位面積当たりの触媒担持量を示し、縦軸には、その触媒担持量に相当する単位面積当たりのインク量の塗膜を乾燥させたときに生じるクラック数を示している。なお、図３は、触媒粒子として白金を含む触媒インクを塗工して乾燥させたときの結果である。
図３に示すように、本願発明者等の調査によれば、単位面積当たりの触媒担持量が多くなるほど、乾燥時に生じるクラックの個数が増大する。特に、単位面積当たりの触媒担持量が０．３mg/cm２を超えると、乾燥時に発生するクラックの個数が顕著に多くなる。このため、ステップＳ１２の第１塗工工程においては、単位面積当たりの触媒担持量が０．３mg/cm２以下となるように、触媒インクを塗工している。第１実施形態では、ステップＳ１２の第１塗工工程で単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。具体的には、乾燥後の単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となるインク量の塗膜を形成するように、制御部９０が電解質膜２の搬送速度および第１塗工ノズル２１からのインク吐出流量を制御する。
また、第１実施形態では、第１塗工ノズル２１が断続的に触媒インクを吐出することによって、連続搬送される電解質膜２の表面に間欠塗工を行っている。図４は、電解質膜２の表面に触媒インクが間欠塗工された状態を示す平面図である。また、図５は、表面に触媒インクの塗膜８が形成された電解質膜２の断面図である。巻出ローラ１１から巻取ローラ１２に向けて一定速度で搬送されるバックシート６付き電解質膜２の表面に第１塗工ノズル２１から触媒インクを断続的に吐出することによって、図４，５に示すように、電解質膜２の表面には一定サイズの矩形状の触媒インクの塗膜８が一定間隔で不連続に形成される。
電解質膜２の表面に形成される各塗膜８の幅は、第１塗工ノズル２１のスリット状吐出口の幅によって規定される。各塗膜８の長さは、第１塗工ノズル２１の触媒インク吐出時間と電解質膜２の搬送速度とによって規定される。また、触媒インクの塗膜８の厚さ（高さ）は、第１塗工ノズル２１のスリット状吐出口と電解質膜２の表面との間隔および触媒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る。上述したように、第１実施形態では、乾燥後の単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となる厚さの触媒インクの塗膜８を形成するように、電解質膜２の搬送速度および触媒インクの吐出流量が制御部９０によって調整されている（触媒インクを吐出するときの吐出口と電解質膜２との間隔は固定値）。なお、触媒インクは第１塗工ノズル２１から塗工可能なペーストであり、電解質膜２上にて塗膜８の形状を維持できる程度の粘性を有している。
次に、表面に触媒インクの塗膜８が形成された電解質膜２が第１乾燥炉２３に搬送されて通過するときに、塗膜８の乾燥処理が行われる（ステップＳ１３）。塗膜８の乾燥処理は、第１乾燥炉２３から塗膜８に７０〜１２０℃の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塗膜８が加熱されて溶媒成分が揮発し、塗膜８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって電解質膜２の表面に形成された塗膜８が乾燥されて触媒層９となる。なお、本明細書においては、第１塗工工程および第１乾燥工程（ステップＳ１２，Ｓ１３）によって形成された触媒層と後述する第２塗工工程および第２乾燥工程（ステップＳ１４，Ｓ１５）によって形成された触媒層とを特に区別する必要のあるときは前者を触媒層（第１触媒層）９ａ、後者を触媒層（第２触媒層）９ｂと称するが、区別の必要がないときは触媒層９と総称する。
図６は、表面に触媒層９が形成された電解質膜２の断面図である。電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされているとともに、表面には断続的に触媒層９が形成されている。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、触媒インクの塗膜８から溶媒成分が揮発して固化したものであるため、その厚さは塗膜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。
ここで図６に示すように、第１塗工工程および第１乾燥工程（ステップＳ１２，Ｓ１３）によって形成された触媒層９には幾つかのクラック５が発生している。これらのクラック５は、第１乾燥工程（ステップＳ１３）にて触媒インクの塗膜８が乾燥して触媒層９となるときに発生したものである。第１実施形態では、単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。図３に示すように、単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２のときには、触媒層９に２個/mm２程度のクラックが発生する。
第１乾燥炉２３を通過した電解質膜２は補助ローラ１６によって案内されて第２塗工ノズル２６に到達する。第２塗工ノズル２６は、図６に示すような電解質膜２の表面にさらに触媒インクを塗工する（ステップＳ１４）。第２塗工ノズル２６が塗工する触媒インクの種類は、第１塗工ノズル２１が塗工した上記の触媒インクと同一のものが好ましいが、完全同一に限定されるものではない。第２塗工ノズル２６が塗工する触媒インクは、第１塗工ノズル２１が塗工する触媒インクに対する触媒粒子濃度の変動が±５ｗｔ％以内であれば良く、溶媒の成分（例えば、水と有機溶剤との比率）が異なっていても良い。
第２塗工ノズル２６は、第２バックアップローラ１５によって支持されつつ一定速度で連続搬送される電解質膜２の表面に触媒インクを塗工する。第２バックアップローラ１５によって安定して支持された電解質膜２の表面と第２塗工ノズル２６の吐出口との間隔は常に一定である。このため、第２塗工ノズル２６は、電解質膜２の表面に触媒インクを均一に塗工することができる。
ステップＳ１４の第２塗工工程においては、単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２以下となるように、第２塗工ノズル２６から触媒インクを塗工している。第１実施形態では、ステップＳ１４の第２塗工工程で単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第２塗工ノズル２６から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。具体的には、乾燥後の単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるインク量の塗膜を形成するように、制御部９０が電解質膜２の搬送速度および第２塗工ノズル２６からのインク吐出流量を制御する。
また、第２塗工ノズル２６も断続的に触媒インクを吐出することによって間欠塗工を行う。このとき、上記の第１塗工工程および第１乾燥工程によって形成された触媒層９ａの上に第２塗工ノズル２６から触媒インクを塗工するように制御部９０が第２塗工ノズル２６の吐出タイミングを制御している。具体的には、第１乾燥炉２３よりも下流側に設けられた画像処理ユニット１７によって電解質膜２の表面を撮像し、得られた画像に所定の画像処理を行うことによって電解質膜２の表面における触媒層９ａの形成位置を検出して特定する。画像処理ユニット１７の検出結果は制御部９０に伝達される。そして、その検出結果に基づいて触媒層９ａの上に触媒インクを塗工するように制御部９０が第２塗工ノズル２６の吐出タイミングを制御する。
図７は、触媒層９ａ上にさらに触媒インクの塗膜８が形成された電解質膜２の断面図である。バックシート６付きの電解質膜２の表面には第１塗工工程および第１乾燥工程によって触媒層９ａが形成されている。そして、その第１塗工工程および第１乾燥工程で形成された触媒層９ａの上に第２塗工工程（ステップＳ１４）による触媒インクの塗膜８が形成される。この塗膜８の厚さは、乾燥後の単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となる値である。第２塗工ノズル２６が吐出する触媒インクが第１塗工ノズル２１の触媒インクと全く同一のものであれば（つまり、触媒インク中における触媒粒子の濃度も同じ）、第２塗工工程（ステップＳ１４）で形成される塗膜８の厚さは第１塗工工程で形成される塗膜８の厚さよりも薄い。なお、上述したように、第２塗工ノズル２６が吐出する触媒インクは、第１塗工ノズル２１の触媒インクと必ずしも同一である必要はなく、触媒粒子濃度の差違が±５ｗｔ％以内であれば乾燥後に触媒担持量が０．１５mg/cm２となるものであれば良い。
また、図７に示すように、ペースト状の触媒インクは第１乾燥工程（ステップＳ１３）で形成された触媒層９ａのクラック５にも入り込む。すなわち、第１塗工工程および第１乾燥工程によって生じた触媒層９ａのクラック５は第２塗工ノズル２６から吐出された触媒インクによって覆われるのである。
次に、触媒層９ａの上にさらに触媒インクの塗膜８が形成された電解質膜２が第２乾燥炉２８に搬送されて通過するときに、その塗膜８の乾燥処理が行われる（ステップＳ１５）。塗膜８の乾燥処理は、第２乾燥炉２８から塗膜８に７０〜１２０℃の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塗膜８が加熱されて溶媒成分が揮発し、塗膜８が乾燥される。溶媒成分が揮発することによって電解質膜２の表面に形成された塗膜８が乾燥されて触媒層９ｂとなる。
図８は、下層の触媒層９ａの上に触媒層９ｂが形成された電解質膜２の断面図である。電解質膜２の裏面にバックシート６が貼り合わされているとともに、表面には下層の触媒層９ａと上層の触媒層９ｂとが二層に積層されている。第１塗工工程および第１乾燥工程によって形成された下層の触媒層９ａにおける単位面積当たりの触媒担持量は０．２mg/cm２であり、第２塗工工程および第２乾燥工程によって形成された上層の触媒層９ｂにおける単位面積当たりの触媒担持量は０．１５mg/cm２である。従って、図８に示すような下層の触媒層９ａと上層の触媒層９ｂとが積層された最終的な触媒層９における単位面積当たりの触媒担持量は双方の総和の０．３５mg/cm２となる。
図８に示すように、下層の触媒層９ａに発生していたクラック５は上層の触媒層９ｂによって覆われて埋められている。また、第２塗工工程では、単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第２塗工ノズル２６から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。図３に示したように、単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２のときには、触媒層９にほとんどクラックが発生しない。すなわち、第２塗工ノズル２６から塗工された触媒インクの塗膜８が第２乾燥工程（ステップＳ１５）にて乾燥するときにはほとんどクラックが発生しない。その結果、二層にわたって触媒層９ａ，９ｂを積層した最終的な触媒層９においてはクラックの無い状態とすることができる。
第２乾燥炉２８を通過した電解質膜２は補助ローラ１６によって案内されて巻取ローラ１２によって巻き取られる（ステップＳ１６）。このときには、電解質膜２の表面に形成された触媒層９と裏面に貼り合わされたバックシート６とが接触することとなるが、触媒層９は十分に乾燥されているので問題は生じない。以上のようにして、触媒層形成装置１００における、電解質膜２の表面に触媒層９を形成する成膜処理が完了する。
本実施形態においては、まず電解質膜２の表面に第１塗工ノズル２１から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第１乾燥炉２３によって乾燥させて下層の触媒層９ａを形成している。このときに、触媒層９ａにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。第１乾燥炉２３による乾燥時は触媒層９ａに幾つかのクラック５が発生する。
次に、下層の触媒層９ａの上に第２塗工ノズル２６から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第２乾燥炉２８によって乾燥させて上層の触媒層９ｂを形成している。このときに、触媒層９ｂにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第２塗工ノズル２６から触媒層９ａの上に触媒インクを塗工している。
このように、一度電解質膜２の表面に形成した触媒層９ａの上にさらに触媒インクを塗工して触媒層９ｂを形成することにより、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５を上層の触媒層９ｂによって覆って消滅させることができる。また、上層の触媒層９ｂにおける触媒担持量（０．１５mg/cm２）は、下層の触媒層９ａにおける触媒担持量（０．２mg/cm２）よりも少なくなるように、第１塗工工程および第２塗工工程にて触媒インクが塗工されている。よって、上層の触媒層９ｂでは、下層の触媒層９ａよりもクラック５が発生しにくい（図３参照）。その結果、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５は消滅するとともに、上層の触媒層９ｂでのクラック発生が抑制されることとなり、最終的な触媒層９におけるクラックの発生を防止することができる。
但し、下層の触媒層９ａに過度にクラック５が存在していると、その上からさらに触媒インクを塗工して触媒層９ｂを形成したとしても、触媒層９ａに発生しているクラック５を完全に消滅させることは困難となる。このため、第１塗工工程においては、単位面積当たりの触媒担持量が０．３mg/cm２以下となるように、第１塗工ノズル２１から触媒インクを塗工している。単位面積当たりの触媒担持量が０．３mg/cm２以下であれば、触媒層９ａに発生するクラック５も少なく（図３参照）、発生したクラック５も上層の触媒層９ｂによって完全に消滅させることが可能となる。
一方、下層の触媒層９ａにクラック５が発生していない場合であっても、上層の触媒層９ｂにクラックが発生すると、そのクラックが下層の触媒層９ａにまで伝搬することがある。従って、上層の触媒層９ｂには少量であってもクラックを発生させないことが望ましい。このため、下層の触媒層９ａにおける触媒担持量よりも上層の触媒層９ｂにおける触媒担持量が少なくなるように、第１塗工工程および第２塗工工程にて触媒インクを塗工している。上層の触媒層９ｂにほとんどクラックを発生させない観点から、第２塗工工程においては、単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２以下となるように、第２塗工ノズル２６から触媒インクを塗工している。
また、第１実施形態においては、電解質膜２の表面にカソード電極の触媒層９を形成していたが、カソード電極の触媒層９には０．３５mg/cm２程度の触媒担持量が必要となる。仮に、一回の触媒インクの塗工および乾燥によって触媒担持量が０．３５mg/cm２の触媒層９を形成したときには、図３に示すように、多数のクラックの発生が避けられない（１０個/mm２以上）。そこで、上記実施形態のように、二回にわたって触媒インクを塗工して触媒層９を形成すれば、クラックの発生を防止しつつも、触媒層９に０．３５mg/cm２の触媒担持量を確保することができるのである。
図９は、二回に分けて触媒インクを塗工した場合における、単位面積当たりの触媒担持量とクラック数との相関関係を示す図である。同図の横軸に示すのは、二回に分けて塗工した触媒インクの触媒担持量の和、つまり二層に積層された触媒層９における単位面積当たりの触媒担持量の総和である。図３と比較すると明らかなように、同じ触媒担持量の触媒層９を形成するのであれば、本実施形態のように二回に分けて触媒インクを塗工した場合の方が発生するクラックの個数は顕著に少ない。本実施形態のように二回に分けて触媒インクを塗工すれば、図９に示すように、触媒担持量の総量が０．３５mg/cm２程度までであれば、クラックを発生させることなく触媒層９を形成することが可能である。
また、本実施形態のように、二回に分けて触媒インクを塗工する技術であれば、触媒インクや電解質膜２の種類にかかわらず適用することが可能であり、容易にクラックの発生を防止することができる。
＜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。図１０は、第２実施形態の触媒層形成装置２００の概略構成を示す図である。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実施形態の触媒層形成装置２００が第１実施形態と相違するのは後段の第２塗工ノズル２６および第２乾燥炉２８を備えていない点である。
第２実施形態の燃料電池の触媒層形成装置２００は、主たる要素として巻出ローラ１１、第１塗工ノズル２１、第１乾燥炉２３、および、巻取ローラ１２を備える。これらの構成要素自体は第１実施形態にて同じ符号を付した要素と同一である。触媒層形成装置２００では、第１乾燥炉２３を通過した電解質膜２が補助ローラ１６によって案内されて直ちに巻取ローラ１２によって巻き取られる。
第２実施形態の触媒層形成装置２００における処理手順は概ね第１実施形態と同じである（図２参照）。但し、第２実施形態においては、第１塗工工程および第１乾燥工程（ステップＳ１２，Ｓ１３）によって触媒層９ａが形成された電解質膜２が一旦巻取ローラ１２によって巻き取られる。第１実施形態と同様に、触媒層９ａにおける単位面積当たりの触媒担持量は０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。よって、乾燥後の触媒層９ａには幾つかのクラック５が発生している。
次に、巻取ローラ１２によって巻き取った電解質膜２のロールを巻出ローラ１１に再度装着して第２塗工工程および第２乾燥工程（ステップＳ１４，Ｓ１５）を実行する。電解質膜２の再装着は、リフターなどによって自動で行うようにしても良いし、作業員が手動で行っても良い。第２実施形態では、触媒層９ａの上に第１塗工ノズル２１から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第１乾燥炉２３によって乾燥させて触媒層９ｂを形成している。このときに、触媒層９ｂにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から触媒層９ａの上に触媒インクを塗工している。
このようにしても、一度電解質膜２の表面に形成した触媒層９ａの上にさらに触媒インクを塗工して触媒層９ｂを形成することにより、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５を上層の触媒層９ｂによって覆って消滅させることができる。また、上層の触媒層９ｂにおける触媒担持量（０．１５mg/cm２）は、下層の触媒層９ａにおける触媒担持量（０．２mg/cm２）よりも少なくなるように、第１塗工工程および第２塗工工程にて触媒インクが塗工されている。よって、上層の触媒層９ｂでは、下層の触媒層９ａよりもクラック５が発生しにくい。その結果、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５は消滅するとともに、上層の触媒層９ｂでのクラック発生が抑制されることとなり、最終的な触媒層９におけるクラックの発生を防止することができる。
第２実施形態では、第１実施形態と比較して後段の第２塗工ノズル２６および第２乾燥炉２８が不要であるため、装置構成を簡素化して全長も短くできるとともに、装置のコスト上昇を抑制することができる。もっとも、第１実施形態のようにした方が、下層の触媒層９ａと上層の触媒層９ｂとを一つのプロセスラインで連続して形成することができるため、第２実施形態よりもスループットは高いものとなる。
＜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。図１１は、第３実施形態の触媒層形成装置３００の概略構成を示す図である。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実施形態の触媒層形成装置３００が第１実施形態と相違するのは、第１乾燥炉２３の後段に一対のプレスローラ１８，１８を設けている点である。
巻出ローラ１１から巻取ローラ１４へと向かう電解質膜２の搬送経路に沿って、第１乾燥炉２３と第２塗工ノズル２６との間に一対のプレスローラ１８，１８が設けられている。一対のプレスローラ１８，１８は、双方の間隔（ロールギャップ）が所定値となるように配置されている。一対のプレスローラ１８，１８のロールギャップは、電解質膜２とバックシート６との合計厚さよりも小さな値に調整されている。従って、搬送される電解質膜２が一対のプレスローラ１８，１８の間を通過することによって、触媒層９ａが形成された電解質膜２が表面側および裏面側から一対のプレスローラ１８，１８によって挟み込まれて圧縮されるロールプレスが実行される。
また、一対のプレスローラ１８，１８は、温調部１９によって温調される。温調部１９としては、例えばプレスローラ１８，１８に内蔵されたヒータに電力を供給する機構であっても良いし、プレスローラ１８，１８に設けられた配管に恒温水を供給する機構であっても良い。温調部１９は、一対のプレスローラ１８，１８を常温（室温）から１５０℃以下の範囲内に温調する。加熱された一対のプレスローラ１８，１８によってロールプレスを行うことにより、触媒層９ａが形成された電解質膜２は加熱されつつ圧縮（ホットプレス）されることとなる。
また、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８が挟み込む荷重が０．１〜１０kgf/cm２となるように、一対のプレスローラ１８，１８は構成されている。具体的には、一対のプレスローラ１８，１８のロール径およびロールギャップなどによって電解質膜２を挟み込む荷重を規定する。第３実施形態では、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８が挟み込む荷重を１．２５kgf/cm２としている。
一対のプレスローラ１８，１８および温調部１９を除く触媒層形成装置３００の残余の構成は第１実施形態の触媒層形成装置１００と同一である。
図１２は、第３実施形態の触媒層形成装置１００において電解質膜２の表面に触媒層を形成する手順を示すフローチャートである。巻出ローラ１１が電解質膜２を巻き出し（ステップＳ２１）、第１塗工ノズル２１による第１塗工工程（ステップＳ２２）および第１乾燥炉２３による第１乾燥工程（ステップＳ２３）が実行される。ステップＳ２１からステップＳ２３での処理内容は第１実施形態のステップＳ１１からステップＳ１３での処理内容と全く同一である。すなわち、巻出ローラ１１が巻き出した電解質膜２の表面に第１塗工ノズル２１から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第１乾燥炉２３によって乾燥させて触媒層９ａを形成している。このときに、触媒層９ａにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。第１乾燥炉２３による乾燥時は触媒層９ａに幾つかのクラック５が発生している。
第３実施形態においては、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８によって挟み込んで圧縮するロールプレスを行う（ステップＳ２４）。図１３は、ロールプレス処理を示す図である。電解質膜２は、巻出ローラ１１および巻取ローラ１２によって図中矢印ＡＲ１３にて示す向きに搬送されている。触媒層９ａが形成された電解質膜２は、一対のプレスローラ１８，１８の間を通過する。なお、電解質膜２の搬送速度に整合するように一対のプレスローラ１８，１８が図示省略の回転駆動機構によって回転されても良い。

一対のプレスローラ１８，１８の間隔は、プレス前の電解質膜２およびバックシート６の合計厚さよりも小さな値に設定されている。従って、矢印ＡＲ１３の向きに搬送される電解質膜２が一対のプレスローラ１８，１８の間を通過するときに、触媒層９ａが形成された電解質膜２が一対のプレスローラ１８，１８によって挟み込まれて圧縮される。これにより、図１３に示すように、触媒層９ａに発生していたクラック５の大きさが小さくなる。特に、一対のプレスローラ１８，１８が温調部１９によって加熱されている場合には、触媒層９ａが形成された電解質膜２が加熱されつつ圧縮されることとなり、クラック５を小さくする効果が大きい。
その後、第１実施形態と同様に、第２塗工ノズル２６による第２塗工工程（ステップＳ２５）、第２乾燥炉２８による第２乾燥工程（ステップＳ２６）および巻取ローラ１２による電解質膜２の巻き取り（ステップＳ２７）が実行される。ステップＳ２５からステップＳ２７での処理内容は第１実施形態のステップＳ１４からステップＳ１６での処理内容と全く同一である。すなわち、触媒層９ａ上に第２塗工ノズル２６から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第２乾燥炉２８によって乾燥させて上層の触媒層９ｂを形成している。このときに、触媒層９ｂにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第２塗工ノズル２６から下層の触媒層９ａ上に触媒インクを塗工している。そして、触媒層９が形成された電解質膜２を巻取ローラ１２によって巻き取る。
このようにしても、電解質膜２の表面に形成した触媒層９ａの上にさらに触媒インクを塗工して触媒層９ｂを形成することにより、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５を上層の触媒層９ｂによって覆って消滅させることができる。また、上層の触媒層９ｂにおける触媒担持量（０．１５mg/cm２）は、下層の触媒層９ａにおける触媒担持量（０．２mg/cm２）よりも少なくなるように、第１塗工工程および第２塗工工程にて触媒インクが塗工されている。よって、上層の触媒層９ｂでは、下層の触媒層９ａよりもクラック５が発生しにくい。その結果、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５は消滅するとともに、上層の触媒層９ｂでのクラック発生が抑制されることとなり、最終的な触媒層９におけるクラックの発生を防止することができる。
また、第３実施形態においては、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８によって挟み込んで圧縮することにより、第２塗工工程よりも前に触媒層９ａに存在しているクラック５を小さくしている。これにより、下層の触媒層９ａに生じたクラック５を上層の触媒層９ｂによってより確実に覆って消滅させることができる。特に、一対のプレスローラ１８，１８が温調部１９によって加熱されている場合には、クラック５を小さくする効果が大きくなるため、上層の触媒層９ｂによってさらに効果的にクラック５を消滅させることができる。
このときに、一対のプレスローラ１８，１８の温度が１５０℃を超えると、触媒層９および電解質膜２に熱ダメージを与えるおそれがある。このため、一対のプレスローラ１８，１８は常温から１５０℃以下の範囲内に温調される。また、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８が挟み込む荷重は０．１〜１０kgf/cm２としている。このようにしている理由は、一対のプレスローラ１８，１８による荷重が０．１kgf/cm２未満であるとクラック５を小さくする効果が十分に得られず、１０kgf/cm２を超えると触媒層９および電解質膜２に機械的な損傷を与えるおそれがあるためである。好ましくは、一対のプレスローラ１８，１８が挟み込む荷重は０．５〜２kgf/cm２である。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１４は、第４実施形態の触媒層形成装置４００の概略構成を示す図である。同図において、第３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４実施形態の触媒層形成装置４００が第３実施形態の触媒層形成装置３００と相違するのは後段の第２塗工ノズル２６および第２乾燥炉２８を備えていない点である。
第４実施形態の燃料電池の触媒層形成装置４００は、主たる要素として巻出ローラ１１、第１塗工ノズル２１、第１乾燥炉２３、一対のプレスローラ１８，１８、温調部１９、および、巻取ローラ１２を備える。これらの構成要素自体は第３実施形態にて同じ符号を付した要素と同一である。触媒層形成装置４００では、一対のプレスローラ１８，１８によってロールプレス処理を受けた電解質膜２が補助ローラ１６によって案内されて直ちに巻取ローラ１２によって巻き取られる。
第４実施形態の触媒層形成装置４００における処理手順は概ね第３実施形態と同じである（図１２参照）。但し、第４実施形態においては、第１塗工工程および第１乾燥工程（ステップＳ２２，Ｓ２３）によって触媒層９ａが形成された後、一対のプレスローラ１８，１８によって圧縮（ステップＳ２４）された電解質膜２が一旦巻取ローラ１２によって巻き取られる。第１実施形態と同様に、触媒層９ａにおける単位面積当たりの触媒担持量は０．２mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から電解質膜２の表面に触媒インクを塗工している。よって、乾燥後の触媒層９ａには幾つかのクラック５が発生しているが、それらのクラック５は一対のプレスローラ１８，１８によるロールプレスによって小さくなっている。
次に、巻取ローラ１２によって巻き取った電解質膜２のロールを第２実施形態の触媒層形成装置２００の巻出ローラ１１に再度装着して第２塗工工程および第２乾燥工程（ステップＳ２５，Ｓ２６）を実行する。電解質膜２の再装着は、リフターなどによって自動で行うようにしても良いし、作業員が手動で行っても良い。第４実施形態では、触媒層９ａの上に第１塗工ノズル２１から触媒インクを塗工し、その触媒インクを第１乾燥炉２３によって乾燥させて触媒層９ｂを形成している。このときに、触媒層９ｂにおける単位面積当たりの触媒担持量が０．１５mg/cm２となるように、第１塗工ノズル２１から触媒層９ａの上に触媒インクを塗工している。
このようにしても、電解質膜２の表面に形成した触媒層９ａの上にさらに触媒インクを塗工して触媒層９ｂを形成することにより、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５を上層の触媒層９ｂによって覆って消滅させることができる。また、上層の触媒層９ｂにおける触媒担持量（０．１５mg/cm２）は、下層の触媒層９ａにおける触媒担持量（０．２mg/cm２）よりも少なくなるように、第１塗工工程および第２塗工工程にて触媒インクが塗工されている。よって、上層の触媒層９ｂでは、下層の触媒層９ａよりもクラック５が発生しにくい。その結果、下層の触媒層９ａに生じていたクラック５は消滅するとともに、上層の触媒層９ｂでのクラック発生が抑制されることとなり、最終的な触媒層９におけるクラックの発生を防止することができる。
また、第３実施形態と同様に、触媒層９ａが形成された電解質膜２を一対のプレスローラ１８，１８によって挟み込んで圧縮することにより、第２塗工工程よりも前に触媒層９ａに存在しているクラック５を小さくしている。これにより、下層の触媒層９ａに生じたクラック５を上層の触媒層９ｂによってより確実に覆って消滅させることができる。特に、一対のプレスローラ１８，１８が温調部１９によって加熱されている場合には、クラック５を小さくする効果が大きくなるため、上層の触媒層９ｂによってさらに効果的にクラック５を消滅させることができる。
＜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、電解質膜２の表面にカソード電極の触媒層９を形成していたが、その電解質膜２の裏面にアノード電極の触媒層を形成する際にも、本発明に係る技術を用いることは可能である。上記各実施形態にて表面にカソード電極の触媒層９が形成された電解質膜２の裏面にアノード電極の触媒層を形成すれば、膜・触媒層接合体を得ることができる。もっとも、アノード電極の触媒層ではカソード電極に比較して触媒担持量が少なくても足りるため、一回の触媒インクの塗工および乾燥でもクラックが発生しないことが多い。よって、本発明に係る技術は、電解質膜２の表面に触媒担持量の多いカソード電極の触媒層９を形成するときに特に好適である。
また、上記各実施形態においては、二回に分けて触媒インクを塗工して触媒層を二層に形成していたが、電解質膜２に三回以上に分けて触媒インクを塗工してするようにして触媒層を多層に形成するようにしても良い。すなわち、電解質膜２の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工して乾燥させて触媒層を形成する工程を繰り返して触媒層を積層するようにしても良い。この場合、初回の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量よりも２回目以降の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工する。
このようにしても、下層の触媒層の上にさらに触媒インクを塗工して上層の触媒層を形成することとなり、下層の触媒層に生じていたクラックを上層の触媒層によって覆って消滅させることができる。また、初回の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量よりも２回目以降の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工するため、２回目以降の塗工によって形成された触媒層ではクラックが発生しにくい。その結果、初回の塗工による触媒層に生じていたクラックは消滅するとともに、２回目以降の塗工による触媒層でのクラック発生が抑制されることとなり、最終的な触媒層におけるクラックの発生を防止することができる。
また、第４実施形態においては、前段の第１塗工ノズル２１および第１乾燥炉２３の直後に一対のプレスローラ１８，１８を配置する構成としていたが、これに代えて、後段の第２塗工ノズル２６および第２乾燥炉２８の直前に一対のプレスローラ１８，１８を配置する構成としても良い。この場合、第２実施形態の触媒層形成装置２００にて触媒層９ａが形成された電解質膜２を当該配置構成の装置に投入し、ロールプレス、第２塗工工程、第２乾燥工程を順次に行う。すなわち、第１乾燥工程と第２塗工工程との間にロールプレスを行うようにすれば、第３および第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明は、固体高分子形燃料電池に使用する高分子電解質膜に触媒インクを塗工して乾燥させることにより当該電解質膜の表面に触媒層を形成する技術に適用することができ、特に触媒担持量の多いカソード電極の触媒層形成に好適である。
２ 電解質膜
５ クラック
６ バックシート
８ 塗膜
９，９ａ，９ｂ 触媒層
１１ 巻出ローラ
１２ 巻取ローラ
１４ 第１バックアップローラ
１５ 第２バックアップローラ
１６ 補助ローラ
１８ プレスローラ
１９ 温調部
２１ 第１塗工ノズル
２３ 第１乾燥炉
２６ 第２塗工ノズル
２８ 第２乾燥炉
９０ 制御部
１００，２００，３００，４００ 触媒層形成装置

Claims (11)

  1. 燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成方法であって、
    前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工する第１塗工工程と、
    第１塗工工程にて塗工された触媒インクを乾燥させて第１触媒層を形成する第１乾燥工程と、
    第１触媒層上に触媒インクを塗工する第２塗工工程と、
    第２塗工工程にて塗工された触媒インクを乾燥させて第２触媒層を形成する第２乾燥工程と、
    を備え、
    第１塗工工程および第２塗工工程では、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工することを特徴とする触媒層形成方法。
  2. 請求項１記載の触媒層形成方法において、
    第１乾燥工程の後に、第１触媒層が形成された前記電解質膜を一対のプレスローラによって挟み込んで圧縮するロールプレス工程をさらに備えることを特徴とする触媒層形成方法。
  3. 請求項２記載の触媒層形成方法において、
    前記一対のプレスローラは、常温から１５０℃以下の範囲内に温調されていることを特徴とする触媒層形成方法。
  4. 請求項２または請求項３記載の触媒層形成方法において、
    第１触媒層が形成された前記電解質膜を前記一対のプレスローラが挟み込む荷重は、０．１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする触媒層形成方法。
  5. 燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成方法であって、
    前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工して乾燥させて触媒層を形成する工程を繰り返して触媒層を積層し、初回の塗工によって形成された触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、初回の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量よりも２回目以降の塗工によって形成された触媒層における触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工することを特徴とする触媒層形成方法。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の触媒層形成方法において、
    前記触媒粒子は、白金または白金合金であることを特徴とする触媒層形成方法。
  7. 燃料電池の電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成装置であって、
    前記電解質膜の表面に触媒粒子を含有する触媒インクを塗工する第１塗工部と、
    第１塗工部から塗工された触媒インクを乾燥させて第１触媒層を形成する第１乾燥部と、
    第１触媒層上に触媒インクを塗工する第２塗工部と、
    第２塗工部から塗工された触媒インクを乾燥させて第２触媒層を形成する第２乾燥部と、
    を備え、
    第１塗工部および第２塗工部は、第１触媒層の触媒担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ ２ 以下となり、かつ、第１触媒層の触媒担持量よりも第２触媒層の触媒担持量が少なくなるように触媒インクを塗工することを特徴とする触媒層形成装置。
  8. 請求項７記載の触媒層形成装置において、
    第１触媒層が形成された前記電解質膜を挟み込んで圧縮する一対のプレスローラをさらに備えることを特徴とする触媒層形成装置。
  9. 請求項８記載の触媒層形成装置において、
    前記一対のプレスローラを常温から１５０℃以下の範囲内に温調する温調部をさらに備えることを特徴とする触媒層形成装置。
  10. 請求項８または請求項９記載の触媒層形成装置において、
    第１触媒層が形成された前記電解質膜を前記一対のプレスローラが挟み込む荷重は、０．１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする触媒層形成装置。
  11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の触媒層形成装置において、
    前記触媒粒子は、白金または白金合金であることを特徴とする触媒層形成装置。
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