JP6761704B2 - 燃料電池用膜−電極接合体の製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用膜−電極接合体の製造装置およびその製造方法に係り、より詳細には、燃料電池の膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造装置およびその製造方法に関する。

周知のように、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、水素と酸素との電気化学的な反応により電気を生産する。このような燃料電池は、別途の充電過程なくても、外部から化学反応物が供給されて持続的な発電が可能である。
燃料電池は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を挟んでその両側にセパレータ（分離板またはバイポーラプレート）を配置して構成される。燃料電池は、このような構成の複数枚が連続的に配列されて燃料電池スタックとして構成される。
ここで、燃料電池の核心部品である膜−電極接合体は、例えば、３−レイヤ（３−ｌａｙｅｒ）構造であって、水素イオンが移動する電解質膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）を挟んでその電解質膜の一面にアノード触媒電極層を形成し、他の一面にカソード触媒電極層を形成している（例えば、特許文献１参照）。このような３−レイヤ構造の膜−電極接合体を製造する代表的な方式には、直接塗布（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏａｔｉｎｇ）方式とデカール（Ｄｅｃａｌ）方式が例に挙げられる。

一方、ロール形態に巻かれた電解質膜を解き出して電解質膜の両面に触媒電極層を形成するロールツーロール工程では、低い物性の電解質膜のため、その電解質膜に触媒スラリーを直接塗布する方式を採用することができなかった。
そこで、従来技術に係るロールツーロール工程では、電解質膜に対する触媒電極層の直接塗布が不可能で、別途の離型フィルムに触媒電極層を塗布した後、電解質膜に触媒電極層を転写するデカール方式を採用している。
デカール方式の場合は、それぞれの触媒電極層がコーティングされたロールタイプの離型フィルムと、ロールタイプの電解質膜を高温高圧の接合ロール（熱間圧延ロール）を通過させて合紙（熱圧着）し、離型フィルムを除去し、３−レイヤ構造の膜−電極接合体を製造することができる。

しかし、このようなロールラミネーティング連続工法を利用するデカール方式は、電解質膜を中間においてその両側にそれぞれの触媒電極層がコーティングされた離型フィルムを位置させた状態で、これらを高温高圧の接合ロールの間に通過させ、触媒電極層と電解質膜とを互いに当接する方向に合紙するため、アノードおよびカソード触媒電極層の合紙位置を対向する位置に正確に整列することが困難であった。
つまり、常時加圧している高温高圧の接合ロールの間に離型フィルムと電解質膜が連続的に通過し、電解質膜の両面に触媒電極層が合紙されるため、このようなロールラミネーティング連続工程では、離型フィルムのフィーディング速度の差などによって触媒電極層の合紙位置を正確に一致させることが困難であった。

このように、アノードおよびカソード触媒電極層の合紙位置を整列しにくくさせている別の理由は、離型フィルムに触媒スラリーを塗布して連続パターンの触媒電極層を製造する工程において触媒電極層間のピッチが一定でないからである。
したがって、従来技術では、デカール方式として膜−電極接合体を製造するに当たって不良率が非常に高く、膜−電極接合体の製造速度が遅く、生産性が低下する問題があった。

特開２０１０−１４６７９６号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであってその目的とするところは、ロールツーロール工程において電解質膜の劣る物性を補完し、電解質膜に触媒電極層を直接塗布できるようにした燃料電池用膜−電極接合体の製造装置およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置は、ｉ）一面に第１保護フィルムが付着し、ロール形態に巻かれた電解質膜を設定された移送経路へ解いて供給する電解質膜フィーディング部と、ｉｉ）電解質膜フィーディング部側に設けられ、電解質膜の他の一面に設定されたピッチで第１触媒物質を塗布する第１触媒塗布ユニットと、ｉｉｉ）第１触媒塗布ユニットの後方側に設けられ、電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを供給し、電解質膜の一面から第１保護フィルムを回収するフィルム処理ユニットと、ｉｖ）フィルム処理ユニットの後方側に設けられ、電解質膜の一面に設定されたピッチで第２触媒物質を塗布する第２触媒塗布ユニットとを含むことを特徴とする。

本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置において、電解質膜は、移送経路に沿ってロールツーロール方式で移送されることが好ましい。
本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置は、第１触媒塗布ユニットおよびフィルム処理ユニットの間において移送経路の途中に設けられ、第１触媒電極層を乾燥する第１乾燥炉を含むことができる。
また、本発明の製造装置は、第２触媒塗布ユニットの後方側において移送経路の途中に設けられ、電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層と電解質膜の一面上の第２触媒電極層を乾燥する第２乾燥炉を含むことができる。

本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置は、第２乾燥炉の後方側に設けられ、第２保護フィルム上において電解質膜の両面に第１および第２触媒電極層がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシートを巻くＭＥＡリワインダを含むことがよい。
また、本発明の製造装置は、第２触媒塗布ユニットの前方側に設けられ、第１触媒電極層の位置を感知し、その感知信号を制御器に出力する位置センサを含むことが好ましい。
本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置において、制御器は、位置センサの感知信号に応じて、第２触媒塗布ユニットの触媒物質の塗布位置を決定することができる。

本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置において、フィルム処理ユニットは、移送経路の一側に設けられ、電解質膜の一面から第１保護フィルムを回収してロール形態に巻くフィルムリワインダと、フィルムリワインダに対応して移送経路の他の一側に設けられ、電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを解いて供給するフィルムアンワインダとを含むことが好ましい。
また、本発明のフィルム処理ユニットは、フィルムリワインダとフィルムアンワインダを単一のカートリッジボディに構成することができる。
また、本発明のフィルムリワインダは、第１保護フィルムをロール形態に巻き取るリワインディングローラと、電解質膜の一面から剥がれた第１保護フィルムをリワインディングローラに案内する第１案内ローラとを含むことがよい。

また、本発明のフィルムアンワインダは、ロール形態に巻かれている第２保護フィルムを解き出すアンワインディングローラと、第２保護フィルムを電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に案内する第２案内ローラとを含むことができる。
また、本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置において、第１および第２触媒塗布ユニットは、電解質膜の幅方向に沿って長く形成されるスロットノズルを有するスロットダイを含むことが好ましい。
また、本発明の第１触媒塗布ユニット側には、電解質膜の一面を支持する第１支持ローラが設けられ、第２触媒塗布ユニット側には、電解質膜の他の一面を支持する第２支持ローラが設けられることが好ましい。

そして、本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法は、（ａ）一面に第１保護フィルムが付着したロール形状の電解質膜を解いて設定された移送経路に供給し、（ｂ）第１触媒塗布ユニットを介して電解質膜の他の一面に設定されたピッチで第１触媒物質を塗布し、（ｃ）フィルム処理ユニットを介して電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを供給し、第１保護フィルムを回収し、（ｄ）第２触媒塗布ユニットを介して電解質膜の一面に設定されたピッチで第２触媒物質を塗布する過程を含むことを特徴とする。
本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜をロールツーロール工程で移送経路に沿って移送する過程に、第１保護フィルムが電解質膜の一面に付着した状態で、第１触媒塗布ユニットを介して電解質膜の他の一面に第１触媒物質を塗布することができる。
また、本発明の製造方法は、電解質膜をロールツーロール工程で移送経路に沿って移送する過程に、第２保護フィルムが電解質膜の他の一面に付着した状態で、第２触媒塗布ユニットを介して電解質膜の一面に第２触媒物質を塗布することが好ましい。

本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法は、第１乾燥炉に電解質膜を通過させ、電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層を乾燥することができる。
また、本発明の製造方法は、電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層の位置を位置センサにより感知し、その感知信号を制御器に出力することがよい。
また、本発明の製造方法は、位置センサの感知信号に応じて、第２触媒塗布ユニットの触媒物質の塗布位置を制御器により調節することが好ましい。

また、本発明の製造方法は、第２乾燥炉に電解質膜を通過させ、電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層および電解質膜の一面上の第２触媒電極層を乾燥することができる。
また、本発明の製造方法は、第２保護フィルム上において電解質膜の両面に第１および第２触媒電極層がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシートを第２乾燥炉に通過させることが好ましい。
また、本発明の製造方法は、ＭＥＡロールシートをＭＥＡリワインダを介してロール形態に巻くことができる。

本発明によると、ロールツーロール工程において第１および第２保護フィルムの処理過程により電解質膜の物性を優れたものに維持し、電解質膜の両面に触媒物質を直接塗布することができる。
したがって、本発明の実施形態では、デカール方式で触媒電極層を電解質膜に転写する従来技術とは異なり、ロールツーロール工程において直接塗布方式で電解質膜の両面に触媒電極層を形成するため、燃料電池用膜−電極接合体の良好な品質を確保することができ、燃料電池用膜−電極接合体の製造工程時間を短縮することができ、燃料電池用膜−電極接合体の生産性を向上させることができる。
さらに、本発明の実施形態では、従来技術におけるような触媒電極層を電解質膜に転写する工程および設備を削除可能なため、設備投資費および作業者維持費を節減することができ、高価な離型フィルムの代わりに安価な保護フィルムを使用するため、燃料電池用膜−電極接合体を製造することに伴う材料費を節減することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置に適用される第１および第２触媒塗布ユニットを概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置の作動を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置を概略的に示す図である。
図１に示したとおり、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００は、燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の部品を自動的に連続製造する自動化システムに適用可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００は、自動化システムにおいて、電解質膜１の両面に触媒電極層３、５をそれぞれ形成している燃料電池用膜−電極接合体をロールツーロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）方式で製造するためのものである。
ここで、ロールツーロール方式とは、ロール形態に巻かれた電解質膜１を解き出し、設定された移送経路９（図中に点線矢印で表示）に沿って電解質膜１を複数の移送ローラを介して移送し、その電解質膜１の両面に触媒電極層３、５をそれぞれ形成する方式をいう。
本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００は、のように、電解質膜１の両面に触媒電極層３、５がそれぞれ形成されたロールシートを製造し、そのロールシートをロール形状に巻く工程を含む。

一方、自動化システムでは、ロール形態に巻かれたロールシートを解き出し、そのロールシートを単位形態にカッティングし、電解質膜１を挟んでその両面に触媒電極層３、５をそれぞれ形成している３−レイヤ構造の膜−電極接合体を製造することができる。
このような本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００は、ロールツーロール工程において電解質膜１の劣る物性を補完し、直接塗布方式として電解質膜１の両面に触媒電極層３、５を形成可能な構造からなる。

このために、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００は、基本的に、電解質膜フィーディング部１１０と、第１触媒塗布ユニット１３０と、フィルム処理ユニット１５０と、第２触媒塗布ユニット１７０と、ＭＥＡリワインダ１９０とを含んでいる。
これらそれぞれの構成要素は、のような自動化システムのメインフレームに構成され、メインフレームは、上下方向に立てられ、それぞれの構成要素を支持するものであって、１つのフレームまたは２以上に区画されたフレームとして構成される。
メインフレームには、本装置１００の構成要素を支持するためのブラケット、バー、ロッド、プレート、ハウジング、ケース、ブロックなどのような各種付属要素を含むことができる。
しかし、各種付属要素は、以下に説明される本装置１００の構成要素をメインフレームに設けるためのものであるので、本発明の実施形態では、例外的な場合を除いて付属要素をメインフレームと通称する。

本発明の実施形態において、電解質膜フィーディング部１１０は、ロール形態に巻かれた電解質膜１を設定された移送経路９へ解いて供給するためのものである。
ここで、電解質膜１は、ロールシート状態でロール形態に巻かれており、一方の面（以下、「一面」という）に第１保護フィルム２が付着している。第１保護フィルム２は、従来技術におけるような離型フィルムに比べて１／１０ 程度価格の安いフイルムであって、電解質膜１の一面を支持する機能を果たす。
電解質膜フィーディング部１１０は、移送経路９の開始側においてメインフレームに回転可能に設けられ、ロール形態に巻かれた電解質膜１を移送経路９へ解き出す供給ローラ１１１を含む。

本発明の実施形態において、第１触媒塗布ユニット１３０は、保護フィルムが付着していない電解質膜１の他方の面（以下、「他の一面」という）に触媒スラリー（以下、便宜上「第１触媒物質」という）を直接塗布するためのものである。
つまり、第１触媒塗布ユニット１３０は、第１触媒物質３ａとして、膜−電極接合体のアノード触媒電極層を構成するアノード触媒物質を電解質膜１の他の一面に設定されたピッチで塗布し、そのピッチをもって離隔した第１触媒電極層３を電解質膜１の他の一面に形成するためのものである。
このような第１触媒塗布ユニット１３０は、電解質膜フィーディング部１１０の後方側に設けられる。第１触媒塗布ユニット１３０は、図２のように、第１触媒物質３ａを電解質膜１の他の一面に設定されたピッチ（離隔ピッチ）で噴射する第１スロットダイ１３１を含む。第１スロットダイ１３１は、電解質膜１の幅方向に沿って長く形成された第１スロットノズル１３３を介して第１触媒物質３ａを電解質膜１の他の一面に塗布することができる。

ここで、第１スロットダイ１３１は、電解質膜フィーディング部１１０から電解質膜１をロールツーロール方式で移送経路９に沿って移送する過程に、第１保護フィルム２が電解質膜１の一面に付着した状態で、第１スロットノズル１３３を介して電解質膜１の他の一面に第１触媒物質３ａを直接塗布することができる。
そして、第１スロットダイ１３１は、第１保護フィルム２が付着している電解質膜１の一面を第１支持ローラ１３５を介して支持している状態で、その電解質膜１の他の一面に第１触媒物質３ａを塗布することができる。
第１支持ローラ１３５は、第１スロットダイ１３１側においてメインフレームに回転可能に設けられ、第１保護フィルム２が付着した電解質膜１の一面を支持する機能のほか、その電解質膜１を移送経路９に沿って移送させる移送ローラの機能も果たす。

一方、本発明の実施形態では、第１触媒塗布ユニット１３０を介して電解質膜１の他の一面に塗布された第１触媒物質３ａの第１触媒電極層３を乾燥する第１乾燥炉２１０を含んでいる。
第１乾燥炉２１０は、第１触媒塗布ユニット１３０の後方側、ひいては、第１触媒塗布ユニット１３０および後でさらに説明されるフィルム処理ユニット１５０の間において移送経路９の途中に設けられる。
例えば、第１乾燥炉２１０は、移送経路９に沿って電解質膜１を通過させる乾燥チャンバを含むことができ、乾燥チャンバの内部から電解質膜１の他の一面上の第１触媒電極層３に熱風または常温風を噴射し、第１触媒電極層３を乾燥することができる。

本発明の実施形態において、フィルム処理ユニット１５０は、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に新規の第２保護フィルム４を供給し、電解質膜１の一面から第１保護フィルム２を回収するためのものである。
つまり、フィルム処理ユニット１５０は、電解質膜１の他の一面に第１触媒電極層３を形成した状態で、第１触媒電極層３上に第２保護フィルム４を付着させ、電解質膜１の一面に付着している第１保護フィルム２を剥がすためのものである。
フィルム処理ユニット１５０は、第１触媒塗布ユニット１３０の後方側である第１乾燥炉２１０の後方側に構成され、移送経路９の相互対応する一側および他の一側に設けられる。このようなフィルム処理ユニット１５０は、フィルムリワインダ１５１と、フィルムアンワインダ１６１とを含む。

フィルムリワインダ１５１は、電解質膜１の一面から第１保護フィルム２を回収してロール形態に巻くものであって、第１乾燥炉２１０の後方側において移送経路９の一側（図中の下側）に設けられる。
このようなフィルムリワインダ１５１は、電解質膜１の一面から剥がれる第１保護フィルム２を巻き取るリワインディングローラ１５３と、電解質膜１の一面から剥がれた第１保護フィルム２をリワインディングローラ１５３に案内する第１案内ローラ１５５とを含む。
そして、フィルムアンワインダ１６１は、電解質膜１の他の一面に形成された第１触媒電極層３上に新規の第２保護フィルム４を解いて供給するものであって、フィルムリワインダ１５１に対応して移送経路９の他の一側（図中の上側）に設けられる。
このようなフィルムアンワインダ１６１は、ロール形態に巻かれている第２保護フィルム４を解き出すアンワインディングローラ１６３と、第２保護フィルム４を電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に案内する第２案内ローラ１６５とを含む。

ここで、リワインディングローラ１５３とアンワインディングローラ１６３は、同じ方向に回転し、第１案内ローラ１５５と第２案内ローラ１６５は、電解質膜１を挟んで互いに反対方向に回転する。
さらに、上記のフィルム処理ユニット１５０のフィルムリワインダ１５１とフィルムアンワインダ１６１は、単一のカートリッジボディ１６９に全て構成され、そのカートリッジボディ１６９は、上記で言及したメインフレームに着脱可能に設けられる。
つまり、フィルム処理ユニット１５０は、フィルムリワインダ１５１とフィルムアンワインダ１６１を単一のカートリッジボディ１６９に構成し、そのカートリッジボディ１６９を介してメインフレームに着脱可能に備えられる。

本発明の実施形態において、第２触媒塗布ユニット１７０は、フィルム処理ユニット１５０のフィルムリワインダ１５１によって第１保護フィルム２が剥がれた電解質膜１の一面に触媒スラリー（以下、便宜上「第２触媒物質」という）を直接塗布するためのものである。
つまり、第２触媒塗布ユニット１７０は、第２触媒物質５ａとして、膜−電極接合体のカソード触媒電極層を構成するカソード触媒物質を電解質膜１の一面に設定されたピッチで塗布し、そのピッチをもって離隔した第２触媒電極層５を電解質膜１の一面に形成するためのものである。

第２触媒塗布ユニット１７０は、電解質膜１の他の一面に形成された第１触媒電極層３に対応する、電解質膜１の一面の設定された領域に第２触媒物質５ａを塗布することができる。
このような第２触媒塗布ユニット１７０は、フィルム処理ユニット１５０の後方側に設けられる。第２触媒塗布ユニット１７０は、図２のとおり、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３に対応して、第２触媒物質５ａを電解質膜１の一面に設定されたピッチ（離隔ピッチ）で噴射する第２スロットダイ１７１を含む。第２スロットダイ１７１は、電解質膜１の幅方向に沿って長く形成された第２スロットノズル１７３を介して第２触媒物質５ａを電解質膜１の一面に塗布することができる。

ここで、第２スロットダイ１７１は、電解質膜１をロールツーロール方式で移送経路９に沿って移送する過程に、フィルム処理ユニット１５０のフィルムアンワインダ１６１によって第２保護フィルム４を電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に付着した状態で、第２スロットノズル１７３を介して電解質膜１の一面に第２触媒物質５ａを直接塗布することができる。
そして、第２スロットダイ１７１は、第２保護フィルム４が付着している電解質膜１の他の一面を第２支持ローラ１７５を介して支持している状態で、その電解質膜１の一面に第２触媒物質５ａを塗布することができる。
第２支持ローラ１７５は、第２スロットダイ１７１側においてメインフレームに回転可能に設けられ、第２保護フィルム４が付着した電解質膜１の他の一面を支持する機能のほか、その電解質膜１を移送経路９に沿って移送させる移送ローラの機能も果たす。

一方、本発明の実施形態では、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３と共に、電解質膜１の一面に塗布された第２触媒物質５ａの第２触媒電極層５を乾燥する第２乾燥炉２３０を含んでいる。
第２乾燥炉２３０は、第２触媒塗布ユニット１７０の後方側、ひいては、第２触媒塗布ユニット１７０と後でさらに説明するＭＥＡリワインダ１９０との間の移送経路９の途中に設けられる。
例えば、第２乾燥炉２３０は、移送経路９に沿って電解質膜１を通過させる乾燥チャンバを含むことができ、乾燥チャンバの内部から電解質膜１の両面の第１および第２触媒電極層３、５に熱風または常温風を噴射し、これら第１および第２触媒電極層３、５を乾燥することができる。

本発明の実施形態において、ＭＥＡリワインダ１９０は、第２保護フィルム４上において電解質膜１の両面に第１および第２触媒電極層３、５がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシート１９１をロール形態に巻くものである。
つまり、ＭＥＡリワインダ１９０は、第２保護フィルム４上において電解質膜１の両面に第１および第２触媒電極層３、５を形成しており、のような第２乾燥炉２３０を通過したＭＥＡロールシート１９１をロール形態に巻き取るためのものである。
このようなＭＥＡリワインダ１９０は、第２乾燥炉２３０の後方側においてメインフレームに回転可能に設けられ、ＭＥＡロールシート１９１をロール形態に巻き取る巻取ローラ１９３を含む。

他方、本発明の実施形態では、電解質膜１の他の一面に形成された第１触媒電極層３に対応して、第２触媒物質５ａを第２触媒塗布ユニット１７０を介して電解質膜１の一面の設定された領域に正確に塗布するための手段として、位置センサ２５０を含んでいる。
本発明の実施形態において、位置センサ２５０は、第２触媒塗布ユニット１７０の前方側に設けられる。位置センサ２５０は、第２触媒塗布ユニット１７０の前方側で、電解質膜１の他の一面に形成された第１触媒電極層３の位置を感知し、その感知信号を制御器２７０に出力することができる。

位置センサ２５０は、超音波、レーザ、赤外線などのような光学を利用して第１触媒電極層３の位置を感知することができ、第１触媒電極層３をビジョン撮影してその第１触媒電極層３の位置を感知することもできる。
このような位置センサ２５０は、光学を利用して被感知体の位置を感知したり、ビジョン撮影して被感知体の位置を感知する公知技術の位置センサとして備えられるので、本明細書において構成のより詳細な説明は省略する。
上記において、制御器２７０は、本装置１００の全般的な運用を制御するものであって、位置センサ２５０から受信された感知信号に起因して第２触媒塗布ユニット１７０の作動を制御し、電解質膜１の一面に対する第２触媒塗布ユニット１７０の触媒物質の塗布位置を決定（補正）することができる。

以下、このように構成される本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００の作動およびこれによる燃料電池用膜−電極接合体の製造方法を、図３および図４に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置の作動を説明するための図であり、図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図３および図４に示したとおり、まず、本発明の実施形態では、電解質膜フィーディング部１１０の供給ローラ１１１にロール形態に巻かれた電解質膜１を解き出し、その電解質膜１をロールツーロール方式の設定された移送経路９にフィーディングする（Ｓ１０段階）。ここで、電解質膜１の一面には第１保護フィルム２が付着している。
この状態で、本発明の実施形態では、第１触媒塗布ユニット１３０を介して第１触媒物質３ａを電解質膜１の他の一面に設定されたピッチ（離隔ピッチ）で直接塗布する（Ｓ２０段階）。

ここで、第１触媒塗布ユニット１３０は、電解質膜フィーディング部１１０から電解質膜１をロールツーロール方式で移送経路９に沿って移送する過程に、第１保護フィルム２が電解質膜１の一面に付着した状態で、電解質膜１の他の一面に第１触媒物質３ａを直接塗布することができる。
つまり、第１触媒塗布ユニット１３０は、第１保護フィルム２が付着している電解質膜１の一面を第１支持ローラ１３５を介して支持している状態で、その電解質膜１の他の一面に第１触媒物質３ａを塗布することができる。

その後、本発明の実施形態では、他の一面に第１触媒物質３ａの第１触媒電極層３が形成された電解質膜１を第１乾燥炉２１０に通過させ、第１触媒電極層３を乾燥する（Ｓ３０段階）。
次に、本発明の実施形態では、フィルム処理ユニット１５０のフィルムアンワインダ１６１を介して電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に新規の第２保護フィルム４を付着させる（Ｓ４０段階）。
次に、本発明の実施形態では、電解質膜１の一面に付着している第１保護フィルム２をフィルム処理ユニット１５０のフィルムリワインダ１５１を介して剥がして回収する（Ｓ５０段階）。
のように、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に新規の第２保護フィルム４を付着させてから、電解質膜１の一面に付着している第１保護フィルム２を剥がす理由は、第１保護フィルム２の回収時、電解質膜１の物性を優れたものに維持するためである。

その後、本発明の実施形態では、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３上に第２保護フィルム４が付着した状態で、第１触媒電極層３に対応する電解質膜１の一面（第１保護フィルムが剥がれた面）の設定された領域に、第２触媒塗布ユニット１７０を介して第２触媒物質５ａを直接塗布する（Ｓ６０段階）。
ここで、第２触媒塗布ユニット１７０は、第２保護フィルム４が付着している電解質膜１の他の一面を第２支持ローラ１７５を介して支持している状態で、その電解質膜１の一面に第２触媒物質５ａを塗布することができる。
この過程において、本発明の実施形態では、第２触媒塗布ユニット１７０の前方側で、電解質膜１の他の一面に形成された第１触媒電極層３の位置を位置センサ２５０により感知し、その感知信号を制御器２７０に出力する（Ｓ７１段階）。

すると、制御器２７０は、位置センサ２５０から受信された感知信号に反応して第２触媒塗布ユニット１７０の作動を制御し、電解質膜１の一面に対する第２触媒塗布ユニット１７０の触媒物質の塗布位置を調節することができる（Ｓ７２段階）。
さらに説明すれば、制御器２７０は、位置センサ２５０から感知信号を受けて第１触媒電極層３の位置情報を取得し、その位置情報に応じて、電解質膜１の一面に対する第２触媒塗布ユニット１７０の触媒物質の塗布位置を調節することができる。
つまり、制御器２７０は、第１触媒電極層３の位置情報に応じて、第２触媒塗布ユニット１７０の触媒物質の塗布時点、塗布時間および塗布停止時点をコントロールすることができる。

次に、本発明の実施形態では、一面に第２触媒物質５ａの第２触媒電極層５が形成された電解質膜１を第２乾燥炉２３０に通過させ、電解質膜１の他の一面の第１触媒電極層３と共に、一面の第２触媒電極層５を乾燥する（Ｓ８０段階）。
この場合は、第２保護フィルム４上において電解質膜１の両面に第１および第２触媒電極層３、５がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシート１９１を第２乾燥炉２３０に通過させ、第１および第２触媒電極層３、５を乾燥することができる。
最後に、本発明の実施形態では、第２保護フィルム４上において電解質膜１の両面に第１および第２触媒電極層３、５を形成しており、上記の第２乾燥炉２３０を通過したＭＥＡロールシート１９１を、ＭＥＡリワインダ１９０の巻取ローラ１９３にロール形態に巻き取る（Ｓ９０段階）。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造装置１００およびこれを用いた一連の膜−電極接合体の製造方法によれば、ロールツーロール工程において第１および第２保護フィルム２、４の処理過程により電解質膜１の物性を優れたものに維持した状態で、その電解質膜１の両面に触媒物質３ａ、５ａを直接塗布することができる。
したがって、本発明の実施形態では、デカール方式で触媒電極層を電解質膜に転写する従来技術とは異なり、ロールツーロール工程において直接塗布方式で電解質膜１の両面に触媒電極層３、５を形成可能なため、電解質膜１の両面に対する触媒電極層３、５の位置偏差を最小化することができる。
これにより、本発明の実施形態では、膜−電極接合体の良好な品質を確保することができ、膜−電極接合体の製造工程時間を短縮することができ、膜−電極接合体の生産性を向上させることができる。
さらに、本発明の実施形態では、従来技術におけるような触媒電極層を電解質膜に転写する工程および設備を削除可能なため、設備投資費および作業者維持費を節減することができ、高価な離型フィルムの代わりに安価な保護フィルムを使用するため、膜−電極接合体を製造することに伴う材料費を節減することができる。

以上、本発明を好ましい実施例を使って詳しく説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるのではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を習得した者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

１：電解質膜
２：第１保護フィルム
３：（第１）触媒電極層
３ａ：（第１）触媒物質
４：第２保護フィルム
５：（第２）触媒電極層
５ａ：（第２）触媒物質
９：移送経路
１００：燃料電池用膜−電極接合体の製造装置、本装置
１１０：電解質膜フィーディング部
１１１：供給ローラ
１３０：第１触媒塗布ユニット
１３１：第１スロットダイ
１３３：第１スロットノズル
１３５：第１支持ローラ
１５０：フィルム処理ユニット
１５１：フィルムリワインダ
１５３：リワインディングローラ
１５５：第１案内ローラ
１６１：フィルムアンワインダ
１６３：アンワインディングローラ
１６５：第２案内ローラ
１６９：カートリッジボディ
１７０：第２触媒塗布ユニット
１７１：第２スロットダイ
１７３：第２スロットノズル
１７５：第２支持ローラ
１９０：ＭＥＡリワインダ
１９１：ＭＥＡロールシート
１９３：巻取ローラ
２１０：第１乾燥炉
２３０：第２乾燥炉
２５０：位置センサ
２７０：制御器

Claims (18)

1. 一面に第１保護フィルムが付着し、ロール形態に巻かれた電解質膜を設定された移送経路へ解いて供給する電解質膜フィーディング部と、
   前記電解質膜フィーディング部側に設けられ、前記電解質膜の他の一面に設定されたピッチで第１触媒物質を塗布する第１触媒塗布ユニットと、
   前記第１触媒塗布ユニットの後方側に設けられ、前記電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを供給し、前記電解質膜の一面から前記第１保護フィルムを回収するフィルム処理ユニットと、
   前記フィルム処理ユニットの後方側に設けられ、前記電解質膜の一面に設定されたピッチで第２触媒物質を塗布する第２触媒塗布ユニットとを含み、
   前記フィルム処理ユニットは、
   前記移送経路の一側に設けられ、前記電解質膜の一面から前記第１保護フィルムを回収してロール形態に巻くフィルムリワインダと、前記フィルムリワインダに対応して前記移送経路の他の一側に設けられ、前記電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを解いて供給するフィルムアンワインダとを含み、前記フィルムリワインダと前記フィルムアンワインダを単一のカートリッジボディに構成することを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
2. 前記電解質膜は、前記移送経路に沿ってロールツーロール方式で移送されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
3. 前記第１触媒塗布ユニットおよびフィルム処理ユニットの間において前記移送経路の途中に設けられ、前記第１触媒電極層を乾燥する第１乾燥炉を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
4. 前記第２触媒塗布ユニットの後方側において前記移送経路の途中に設けられ、前記電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層と前記電解質膜の一面上の第２触媒電極層を乾燥する第２乾燥炉を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
5. 前記第２乾燥炉の後方側に設けられ、前記第２保護フィルム上において前記電解質膜の両面に第１および第２触媒電極層がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシートを巻くＭＥＡリワインダを含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
6. 前記第２触媒塗布ユニットの前方側に設けられ、前記第１触媒電極層の位置を感知し、その感知信号を制御器に出力する位置センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
7. 前記制御器は、
   前記位置センサの感知信号に応じて、前記第２触媒塗布ユニットの触媒物質の塗布位置を決定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
8. 前記フィルムリワインダは、
   前記第１保護フィルムをロール形態に巻き取るリワインディングローラと、
   前記電解質膜の一面から剥がれた前記第１保護フィルムをリワインディングローラに案内する第１案内ローラとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
9. 前記フィルムアンワインダは、
   ロール形態に巻かれている前記第２保護フィルムを解き出すアンワインディングローラと、
   前記第２保護フィルムを前記電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に案内する第２案内ローラとを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
10. 前記第１および第２触媒塗布ユニットは、
    前記電解質膜の幅方向に沿って長く形成されるスロットノズルを有するスロットダイを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
11. 前記第１触媒塗布ユニット側には、前記電解質膜の一面を支持する第１支持ローラが設けられ、
    前記第２触媒塗布ユニット側には、前記電解質膜の他の一面を支持する第２支持ローラが設けられることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置を用いる燃料電池用膜−電極接合体の製造方法であって、
    一面に第１保護フィルムが付着したロール形状の電解質膜を解いて設定された移送経路に供給し、
    第１触媒塗布ユニットを介して前記電解質膜の他の一面に設定されたピッチで第１触媒物質を塗布し、
    フィルム処理ユニットを介して前記電解質膜の他の一面の第１触媒電極層上に第２保護フィルムを供給し、前記第１保護フィルムを回収し、
    第２触媒塗布ユニットを介して前記電解質膜の一面に設定されたピッチで第２触媒物質を塗布する過程を含む燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
13. 前記電解質膜をロールツーロール工程で移送経路に沿って移送する過程に、
    前記第１保護フィルムが前記電解質膜の一面に付着した状態で、前記第１触媒塗布ユニットを介して前記電解質膜の他の一面に第１触媒物質を塗布し、
    前記第２保護フィルムが前記電解質膜の他の一面に付着した状態で、前記第２触媒塗布ユニットを介して前記電解質膜の一面に第２触媒物質を塗布することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
14. 第１乾燥炉に前記電解質膜を通過させ、前記電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層を乾燥することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
15. 前記電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層の位置を位置センサにより感知し、その感知信号を制御器に出力することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
16. 前記位置センサの感知信号に応じて、前記第２触媒塗布ユニットの触媒物質の塗布位置を前記制御器により調節することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
17. 第２乾燥炉に前記電解質膜を通過させ、前記電解質膜の他の一面上の第１触媒電極層および前記電解質膜の一面上の第２触媒電極層を乾燥することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
18. 前記第２保護フィルム上において前記電解質膜の両面に第１および第２触媒電極層がそれぞれ形成されたＭＥＡロールシートを前記第２乾燥炉に通過させ、
    前記ＭＥＡロールシートをＭＥＡリワインダを介してロール形態に巻くことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
    

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