KR101884065B1 - 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

(과제) 기재의 박리시에, 전해질막이 흡착 롤러로부터 들뜨는 것을 억제할 수 있고, 또한, 촉매 공급부에 대한 영향이 작은 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 흡착 롤러 (20) 와 박리 롤러 (11) 사이의 간극 (15) 을 통과한 후, 전해질막 (92) 은 흡착 롤러 (20) 에 흡착 유지되고, 기재 (91) 는 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송된다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터 기재 (91) 가 박리된다. 이 때, 전해질막 (92) 의 외측의 면 중, 폭 방향의 양 단부를 포함하는 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역을 향하여 기체를 분사한다. 이로써, 흡착력이 작아진다. 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부에 있어서, 전해질막 (92) 의 들뜸을 억제할 수 있다. 또, 토출된 기체는, 복수의 토출 영역 사이로 빠진다. 이 때문에, 촉매 공급부측으로 흐르는 기체의 양을 억제할 수 있다.

Description

막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법{APPARATUS FOR AND METHOD OF MANUFACTURING CATALYST-COATED MEMBRANE}
본 발명은 기재 및 전해질막의 적어도 2 층으로 구성되는 장척 띠상체로부터 전해질막을 박리하고, 박리된 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다
최근, 자동차나 휴대 전화 등의 구동 전원으로서 연료 전지가 주목받고 있다. 연료 전지는, 연료에 함유되는 수소 (H2) 와 공기 중의 산소 (O2) 의 전기 화학 반응에 의해 전력을 만들어 내는 발전 시스템이다. 연료 전지는, 다른 전지와 비교하여, 발전 효율이 높고 환경에 대한 부하가 작다는 특장을 갖는다.
연료 전지에는, 사용하는 전해질에 따라 몇 가지 종류가 존재한다. 그 중의 하나가, 전해질로서 이온 교환막 (전해질막) 을 사용한 고체 고분자형 연료 전지 (PEFC : Polymer electrolyte fuel cell) 이다. 고체 고분자형 연료 전지는, 상온에서의 동작 및 소형 경량화가 가능하기 때문에, 자동차나 휴대 기기에 대한 적용이 기대되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는, 일반적으로는 복수의 셀이 적층된 구조를 갖는다. 1 개의 셀 (cell) 은, 막·전극 접합체 (MEA : Membrane-Electrode-Assembly) 의 양측을 1 쌍의 세퍼레이터 (separator) 사이에 끼워넣음으로써 구성된다. 막·전극 접합체는, 전해질의 박막 (고분자 전해질막) 의 양면에 촉매층을 형성한 막·촉매층 접합체 (CCM : Catalyst-coated membrane) 의 양측에, 추가로 가스 확산층을 배치한 것이다. 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측에 배치된 촉매층과 가스 확산층으로 1 쌍의 전극층이 구성된다. 1 쌍의 전극층의 일방은 애노드 (anode) 전극이고, 타방이 캐소드 (cathode) 전극이다. 애노드 전극에 수소를 함유하는 연료 가스가 접촉함과 함께, 캐소드 전극에 공기가 접촉되면, 전기 화학 반응에 의해 전력이 만들어진다.
상기 막·촉매층 접합체는, 전형적으로는 전해질막의 표면에 백금 (Pt) 을 함유하는 촉매 입자를 알코올 등의 용매 중에 분산시킨 촉매 잉크 (전극 페이스트) 를 도공하고, 그 촉매 잉크를 건조시킴으로써 제조된다. 종래의 막·촉매층 접합체의 제조 기술에 대해서는, 예를 들어, 특허문헌 1 에 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2013-182682호
그런데, 고체 고분자형 연료 전지에 사용되는 전해질막은, 대기 중의 습도에 따라 변형되기 쉬운 성질을 갖는다. 따라서, 막·촉매층 접합체의 제조시에는, 전해질막이 시트상의 기재에 부착된 상태로 공급된다. 막·촉매층 접합체의 제조 장치에서는, 먼저, 전해질막을 흡착 롤러에 흡착 유지킴과 함께, 전해질막으로부터 기재를 박리한다. 그 후, 흡착 롤러에 흡착 유지된 전해질막의 표면에 촉매 잉크를 도공한다.
그러나, 흡착 롤러에 대한 전해질막의 흡착력이 낮으면 기재를 박리할 때, 전해질막이 기재측으로 끌어당겨져, 흡착 롤러로부터 들뜬다는 문제가 있다. 특히, 전해질막의 양단 가장자리 부근에서는, 흡착 롤러의 표면에 형성된 흡인구의 압력이 저하되기 어렵기 때문에, 흡착력이 불충분해지기 쉽다. 흡착 롤러로부터의 전해질막의 들뜸이 발생하면, 전해질막은 주름이 생긴 상태로, 흡착 롤러의 표면에 흡착 유지된다. 그리고, 주름이 생긴 전해질막의 표면에 촉매 잉크가 도공되게 된다.
특허문헌 1 에는, 2 장의 시트가 박리되는 박리 개시 부분에 에어를 분사함으로써, 박리 개시 부분에 있어서의 막의 느슨함을 억제하는 것이 기재되어 있다 (단락 0027 ∼ 0031 참조). 그러나, 특허문헌 1 에는 흡착력이 작아진다. 막의 양단 가장자리 부근에 있어서, 막의 들뜸을 특히 억제하는 것에 대해서는 기재되어 있지 않다. 또, 이와 같은 박리 개시 부분의 근방에 촉매 잉크를 도공하는 촉매 공급부가 배치되는 경우에는, 분출된 에어가 촉매 공급부에 미치는 영향을 작게 하는 것도 고려해야 한다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 기재의 박리시에 전해질막이 흡착 롤러로부터 들뜨는 것을 억제할 수 있고, 또한, 촉매 공급부에 대한 영향이 작은 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본원의 제 1 발명은, 기재 및 전해질막의 적어도 2 층으로 구성되는 장척 띠상체로부터 상기 전해질막을 박리하고, 박리된 상기 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 막·촉매층 접합체의 제조 장치로서, 상기 전해질막을 외주면에 흡착 유지하면서 그 축심 둘레로 제 1 방향으로 회전하는 흡착 롤러와, 상기 흡착 롤러의 외주면에, 상기 장척 띠상체를, 상기 기재가 외측이 되는 자세로 도입함과 함께, 상기 전해질막으로부터 상기 기재를 박리하는 도입 박리부와, 상기 흡착 롤러에 흡착 유지된 상기 전해질막의 외측의 면에, 촉매 재료를 공급하는 촉매 공급부를 구비하고, 상기 도입 박리부는, 상기 장척 띠상체가 통과하는 간극을 두고 상기 흡착 롤러에 대향하고, 상기 흡착 롤러와 평행한 축심 둘레로, 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 회전하는 박리 롤러와, 상기 간극을 향하여 상기 장척 띠상체를 도입하는 도입부와, 상기 간극을 통과한 상기 기재를, 상기 흡착 롤러의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송하는 배출부와, 상기 간극을 통과하여 상기 흡착 롤러에 흡착 유지되는 상기 전해질막의 외측의 면에 기체를 분사하는 기체 공급부를 갖고, 상기 기체 공급부는, 적어도 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부 (端部) 를 포함하는 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역을 향하여 기체를 분사한다.
본원의 제 2 발명은, 제 1 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 복수의 토출 영역은, 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부와, 상기 양 단부 사이에 위치하는 적어도 1 개의 영역을 포함한다.
본원의 제 3 발명은, 제 1 발명의 막·촉매층 접합체의 제조 장치로서, 상기 흡착 롤러의 상기 축심을 중심으로 하는 상기 기체 공급부와 상기 촉매 공급부 사이의 각도는 90 도 이하이다.
본원의 제 4 발명은, 제 1 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 도입부에 있어서의 상기 장척 띠상체의 장력과, 상기 배출부에 있어서의 상기 기재의 장력의 관계를 조정하는 장력 조정부를 추가로 갖는다.
본원의 제 5 발명은, 제 4 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 장력 조정부는, 상기 도입부에 있어서의 상기 장척 띠상체의 장력보다, 상기 배출부에 있어서의 상기 기재의 장력을 작게 한다.
본원의 제 6 발명은, 제 1 발명 내지 제 5 발명 중 어느 한 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 흡착 롤러의 회전 속도와, 상기 박리 롤러의 회전 속도의 관계를 조정하는 회전 속도 조정부를 추가로 갖는다.
본원의 제 7 발명은, 제 6 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 회전 속도 조정부는, 상기 간극에 있어서의 상기 흡착 롤러의 외주면의 이동 속도보다, 상기 간극에 있어서의 상기 박리 롤러의 외주면의 이동 속도를 느리게 한다.
본원의 제 8 발명은, 제 7 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 박리 롤러는, 상기 흡착 롤러의 회전에 수반하여 종동 회전하고, 상기 회전 속도 조정부는, 상기 박리 롤러의 회전에 부하를 가하는 제동부를 포함한다.
본원의 제 9 발명은, 제 7 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 회전 속도 조정부는, 상기 박리 롤러의 회전수를 조정 가능한 서보 모터를 포함한다.
본원의 제 10 발명은, 제 7 발명의 막·촉매 접합체의 제조 장치로서, 상기 박리 롤러는, 상기 기재와 슬라이딩하면서 회전한다.
본원의 제 11 발명은, 기재 및 전해질막의 적어도 2 층으로 구성되는 장척 띠상체로부터 상기 전해질막을 박리하고, 박리된 상기 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 막·촉매층 접합체의 제조 방법으로서, a) 서로 평행하게 배치된 흡착 롤러와 박리 롤러 사이의 간극에, 상기 장척 띠상체를 도입하는 공정과, b) 상기 간극을 통과한 상기 전해질막을 상기 흡착 롤러에 흡착 유지시킴과 함께, 상기 간극을 통과한 상기 기재를, 상기 흡착 롤러의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송함으로써, 상기 전해질막으로부터 상기 기재를 박리하는 공정과, c) 상기 간극을 통과하여 상기 흡착 롤러에 흡착 유지되는 상기 전해질막의 외측의 면에 기체를 분사하는 공정과, d) 상기 흡착 롤러에 흡착 유지된 상기 전해질막의 외측의 면에 촉매 재료를 공급하는 공정을 구비하고, 상기 공정 c) 에서는, 적어도 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부를 포함하는 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역을 향하여 기체를 분사한다.
본원의 제 12 발명은, 제 11 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 복수의 토출 영역은, 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부와, 상기 양 단부 사이에 위치하는 적어도 1 개의 영역을 포함한다.
본원의 제 13 발명은, 제 11 발명의 막·촉매층 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 c) 부터 상기 공정 d) 까지의 상기 전해질막의 회전 각도는 90 도 이하이다.
본원의 제 14 발명은, 제 11 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 도입되는 상기 장척 띠상체의 장력과, 박리 후의 상기 기재의 장력의 관계를 조정한다.
본원의 제 15 발명은, 제 14 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 도입되는 상기 장척 띠상체의 장력보다, 박리 후의 상기 기재의 장력을 작게 한다.
본원의 제 16 발명은, 제 11 발명 내지 제 15 발명 중 어느 한 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 b) 에 있어서, 상기 흡착 롤러의 회전 속도와, 상기 박리 롤러의 회전 속도의 관계를 조정한다.
본원의 제 17 발명은, 제 16 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 있어서의 상기 흡착 롤러의 외주면의 이동 속도보다, 상기 간극에 있어서의 상기 박리 롤러의 외주면의 이동 속도를 느리게 한다.
본원의 제 18 발명은, 제 17 발명의 막·촉매 접합체의 제조 방법으로서, 상기 공정 b) 에 있어서, 상기 박리 롤러는, 상기 기재와 슬라이딩하면서 회전한다.
본원의 제 1 발명 ∼ 제 18 발명에 의하면, 기체의 분사에 의해 전해질막이 흡착 롤러로부터 들뜨는 것을 억제할 수 있다. 특히, 흡착력이 작아진다. 전해질막의 폭 방향의 양 단부에 있어서, 흡착 롤러에 전해질막을 누를 수 있다. 또, 토출된 기체는, 복수의 토출 영역 사이로 빠진다. 이 때문에, 촉매 공급부측으로 흐르는 기체의 양을 억제할 수 있다.
특히, 제 4 발명, 제 5 발명, 제 14 발명 및 제 15 발명에 의하면, 박리 롤러의 상류측 및 하류측의 장력을 조정함으로써, 전해질막으로부터의 기재의 박리를 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 흡착 롤러로부터의 전해질막의 들뜸을 보다 억제할 수 있다.
특히, 제 6 발명 ∼ 제 10 발명 및 제 16 발명 ∼ 제 18 발명에 의하면, 흡착 롤러의 회전 속도와 박리 롤러의 회전 속도를 조정함으로써, 전해질막으로부터의 기재의 박리를 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 흡착 롤러로부터의 전해질막의 들뜸을 보다 억제할 수 있다.
도 1 은 막·촉매층 접합체의 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 는 박리 롤러 부근의 확대도이다.
도 3 은 흡착 롤러의 축심을 포함하는 단면 (斷面) 에 있어서의 건조로의 개략 형상을 나타낸 도면이다.
도 4 는 라미네이트 롤러 부근의 확대도이다.
도 5 는 제어부와 각 부의 접속을 나타낸 블록도이다.
도 6 은 박리 롤러, 기체 공급부 및 흡착 롤러의 사시도이다.
도 7 은 장척 띠상체의 도입부터 촉매 잉크의 공급까지의 처리의 흐름을 나타낸 플로 차트이다.
도 8 은 흡착 롤러에 유지된 전해질막과 복수의 파이프 노즐의 폭 방향의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 9 는 흡착 롤러, 박리 롤러 및 회전 속도 조정부의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 10 은 흡착 롤러, 박리 롤러 및 회전 속도 조정부의 구성을 나타낸 측면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
＜1. 제조 장치의 구성＞
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 막·촉매층 접합체의 제조 장치 (1) 의 구성을 나타낸 도면이다. 이 제조 장치 (1) 는, 띠상의 박막인 전해질막의 표면에, 전극이 되는 촉매층을 형성하고, 고체 고분자형 연료 전지용 막·촉매층 접합체를 제조하는 장치이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 막·촉매층 접합체의 제조 장치 (1) 는, 도입 박리부 (10), 흡착 롤러 (20), 촉매 공급부 (30), 건조로 (40), 첩부 (貼付) 부 (50), 표면 냉각부 (60) 및 제어부 (70) 를 구비하고 있다.
도입 박리부 (10) 는, 기재 (91) 및 전해질막 (92) 의 2 층으로 구성되는 장척 띠상체 (90) 를 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 도입함과 함께, 전해질막 (92) 으로부터 기재 (91) 를 박리한다.
전해질막 (92) 에는, 예를 들어, 불소계 또는 탄화수소계의 고분자 전해질막이 사용된다. 전해질막 (92) 의 구체예로는, 퍼플루오로카본술폰산 (perfluorocarbonsulfonic acid) 을 함유하는 고분자 전해질막 (예를 들어, 미국 DuPont 사 제조의 Nafion (등록상표), 아사히 가라스 (주) 제조의 Flemion (등록상표), 아사히 화성 (주) 제조의 Aciplex (등록상표), 고어 (Gore) 사 제조의 Goreselect (등록상표)) 을 들 수 있다. 전해질막 (92) 의 막 두께는, 예를 들어, 5 ㎛ ∼ 30 ㎛ 가 된다. 전해질막 (92) 은 대기 중의 습기에 의해 팽윤되는 한편, 습도가 낮아지면 수축된다. 즉, 전해질막 (92) 은 대기 중의 습도에 따라 변형되기 쉬운 성질을 갖는다.
기재 (91) 는 전해질막 (92) 의 변형을 억제하기 위한 백 시트이다. 기재 (91) 의 재료에는, 전해질막 (92) 보다 기계적 강도가 높고, 형상 유지 기능이 우수한 수지가 사용된다. 기재 (91) 의 구체예로는, PEN (폴리에틸렌나프탈레이트, polyethylene naphthalate) 이나 PET (폴리에틸렌테레프탈레이트, polyethylene terephthalate) 의 필름을 들 수 있다. 기재 (91) 의 막 두께는, 예를 들어 25 ㎛ ∼ 100 ㎛ 가 된다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 도입 박리부 (10) 는, 박리 롤러 (11), 도입부 (12), 배출부 (13) 및 기체 공급부 (14) 를 갖는다.
박리 롤러 (11) 는 수평하게 연장되는 축심 둘레로 회전한다. 박리 롤러 (11) 는, 탄성체에 의해 형성된 원통상의 외주면을 갖는다. 박리 롤러 (11) 의 외주면과, 후술하는 흡착 롤러 (20) 의 외주면은, 장척 띠상체 (90) 가 통과하는 간극을 두고 서로 대향된다. 또, 박리 롤러 (11) 는, 도시를 생략한 에어 실린더 (air cylinder) 에 의해, 흡착 롤러 (20) 측으로 가압된다.
도입부 (12) 는, 막 권출 롤러 (121) 및 제 1 검지 롤러 (122) 를 갖는다. 막 권출 롤러 (121) 및 제 1 검지 롤러 (122) 는, 모두 박리 롤러 (11) 와 평행하게 배치된다. 공급 전의 장척 띠상체 (90) 는, 막 권출 롤러 (121) 에 감겨 있다. 막 권출 롤러 (121) 는, 도시를 생략한 모터의 동력에 의해 회전한다. 막 권출 롤러 (121) 가 회전하면, 장척 띠상체 (90) 는, 막 권출 롤러 (121) 로부터 조출된다.
막 권출 롤러 (121) 로부터 조출된 장척 띠상체 (90) 는, 제 1 검지 롤러 (122) 의 외주면에 접촉됨으로써 방향을 바꿔 박리 롤러 (11) 측으로 반송된다. 제 1 검지 롤러 (122) 는, 장척 띠상체 (90) 로부터 받는 하중을 로드 셀 (load cell) 로 계측함으로써, 도입부 (12) 에 있어서 장척 띠상체 (90) 에 가해지는 장력을 검지한다. 후술하는 제어부 (70) 는, 제 1 검지 롤러 (122) 에 의해 검지되는 장척 띠상체 (90) 의 장력이 미리 설정된 값이 되도록 막 권출 롤러 (121) 의 회전수를 제어한다.
도 2 는, 박리 롤러 (11) 부근의 확대도이다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 검지 롤러 (122) 를 통과한 장척 띠상체 (90) 는, 박리 롤러 (11) 와 흡착 롤러 (20) 사이의 간극 (15) 에 도입된다. 이 때, 기재 (91) 는 박리 롤러 (11) 의 외주면에 접촉되고, 전해질막 (92) 은 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 접촉된다. 또, 장척 띠상체 (90) 는, 박리 롤러 (11) 로부터 받는 압력에 의해, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 눌려진다. 그렇게 하면, 흡착 롤러 (20) 의 후술하는 부압 에 의해, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 전해질막 (92) 이 흡착된다.
또한, 본 실시형태에서는, 막 권출 롤러 (121) 로부터 조출되는 전해질막 (92) 의 일방의 면에 미리 촉매 재료 (9a) 의 층이 형성되어 있다. 이 때문에, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에는, 당해 촉매 재료 (9a) 의 층과 함께 전해질막 (92) 이 흡착된다. 촉매 재료 (9a) 의 층은, 제조 장치 (1) 와는 다른 도공 장치에 있어서, 기재 (91) 및 전해질막 (92) 의 2 층으로 구성되는 장척 띠상체 (90) 를 롤·투·롤 방식으로 반송하면서, 전해질막 (92) 의 표면에 촉매 잉크를 간헐 도공하고, 도공된 촉매 잉크를 건조시킴으로써 형성된다.
배출부 (13) 는, 기재 권취 롤러 (131) 및 제 2 검지 롤러 (132) 를 갖는다. 기재 권취 롤러 (131) 및 제 2 검지 롤러 (132) 는, 모두 박리 롤러 (11) 와 평행하게 배치된다. 간극 (15) 을 통과한 기재 (91) 는, 흡착 롤러 (20) 로부터 떨어져, 제 2 검지 롤러 (132) 의 방향으로 반송된다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터 기재 (91) 가 박리된다. 박리된 기재 (91) 는, 제 2 검지 롤러 (132) 의 외주면에 접촉됨으로써 방향을 바꿔, 기재 권취 롤러 (131) 측으로 반송된다.
기재 권취 롤러 (131) 는, 도시를 생략한 모터의 동력에 의해 회전한다. 이로써, 기재 권취 롤러 (131) 에 기재 (91) 가 감긴다. 제 2 검지 롤러 (132) 는, 기재 (91) 로부터 받는 하중을 로드 셀로 계측함으로써, 배출부 (13) 에 있어서 기재 (91) 에 가해지는 장력을 검지한다. 후술하는 제어부 (70) 는, 제 2 검지 롤러 (132) 에 의해 검지되는 기재 (91) 의 장력이 미리 설정된 값이 되도록 기재 권취 롤러 (131) 의 회전수를 제어한다.
기체 공급부 (14) 는, 간극 (15) 을 통과하여 흡착 롤러 (20) 에 흡착 유지되는 전해질막 (92) 의 외측의 면에 기체를 분사한다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리를 촉진시킴과 함께, 흡착 롤러 (20) 로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸을 억제한다. 기체 공급부 (14) 의 상세한 구성에 대해서는 후술한다.
흡착 롤러 (20) 는, 전해질막 (92) 을 외주면에 흡착 유지하면서 회전하는 롤러이다. 흡착 롤러 (20) 는, 박리 롤러 (11) 보다 직경이 큰 원통상의 외주면을 갖는다. 흡착 롤러 (20) 의 직경은, 예를 들어, 400 ㎜ ∼1600 ㎜ 가 된다. 흡착 롤러 (20) 는, 도시를 생략한 모터의 동력에 의해, 수평 (즉, 박리 롤러 (11) 와 평행) 하게 연장되는 축심 둘레로 회전한다. 흡착 롤러 (20) 의 회전 방향인 제 1 방향과, 박리 롤러 (11) 의 회전 방향인 제 2 방향은, 서로 반대 방향이 된다.
흡착 롤러 (20) 의 재료에는, 예를 들어, 다공질 카본이나 다공질 세라믹스 (ceramics) 등의 다공질 재료가 사용된다. 다공질 세라믹스의 구체예로는, 알루미나 (Al2O3) 또는 탄화규소 (SiC) 의 소결체를 들 수 있다. 다공질의 흡착 롤러 (20) 에 있어서의 기공 직경은, 예를 들어 5 ㎛ 이하가 되고, 기공률은, 예를 들어 15 ％ ∼ 50 ％ 가 된다. 또, 흡착 롤러 (20) 의 외주면은, 예를 들어, Rz (최대 높이) 의 값이 5 ㎛ 이하인 표면 조도로 형성된다. 또, 회전시에 있어서의 흡착 롤러 (20) 의 회전축으로부터 외주면까지의 거리의 변동은 10 ㎛ 이하가 된다.
흡착 롤러 (20) 의 단면 (端面) 에는 흡인구 (21) 이 형성되어 있다. 흡인구 (21) 는, 도시하지 않은 흡인 기구 (예를 들어, 배기 펌프) 에 접속된다. 흡인 기구를 동작시키면, 흡착 롤러 (20) 의 흡인구 (21) 에 부압이 발생한다. 그리고, 흡착 롤러 (20) 내의 기공을 통하여 흡착 롤러 (20) 의 외주면에도 부압이 발생한다. 예를 들어, 흡인구 (21) 에 90 ㎪ 이상의 부압을 발생시킴으로써, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 10 ㎪ 이상의 부압을 발생시킨다. 전해질막 (92) 은, 당해 부압에 의해, 흡착 롤러 (20) 외주면에 흡착 유지되면서, 흡착 롤러 (20) 의 회전에 의해 원호상으로 반송된다.
또, 도 1 중에 파선으로 나타내는 바와 같이, 흡착 롤러 (20) 의 내부에는, 복수의 수랭관 (22) 이 형성되어 있다. 수랭관 (22) 에는, 도시하지 않는 급수 기구로부터, 소정 온도로 온도 조절된 냉각수가 공급된다. 제조 장치 (1) 의 동작시에는, 흡착 롤러 (20) 의 열이 열매체인 냉각수에 흡수된다. 이로써, 흡착 롤러 (20) 가 냉각된다. 열을 흡수한 냉각수는, 도시하지 않는 배액 기구로 배출된다.
촉매 공급부 (30) 는, 흡착 롤러 (20) 에 의해 반송되는 전해질막 (92) 의 표면에 촉매 잉크를 도공하기 위한 기구이다. 촉매 잉크에는, 촉매 재료 (예를 들어, 백금 (Pt)) 를 함유하는 입자를 알코올 등의 용매 중에 분산시킨 전극 페이스트가 사용된다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 촉매 공급부 (30) 는, 도공 노즐 (31) 을 갖는다. 도공 노즐 (31) 은, 흡착 롤러 (20) 에 의한 전해질막 (92) 의 반송 방향에 있어서, 박리 롤러 (11) 보다 하류측에 형성되어 있다. 도공 노즐 (31) 은, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 대향하는 토출구 (311) 를 갖는다. 토출구 (311) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면을 따라 수평하게 연장되는 슬릿상의 개구이다.
도공 노즐 (31) 은, 공급 배관 (32) 을 통하여 촉매 잉크 공급원 (33) 과 유로 접속되어 있다. 또, 공급 배관 (32) 의 경로 상에는, 개폐 밸브 (34) 가 개삽 (介揷) 되어 있다. 이 때문에, 개폐 밸브 (34) 를 개방하면, 촉매 잉크 공급원 (33) 으로부터 공급 배관 (32) 을 지나 도공 노즐 (31) 에 촉매 잉크가 공급된다. 그리고, 도공 노즐 (31) 의 토출구 (311) 로부터 전해질막 (92) 을 향하여 촉매 잉크가 토출된다. 그 결과, 흡착 롤러 (20) 에 유지된 전해질막 (92) 의 외측의 면에 촉매 잉크가 도공된다.
본 실시형태에서는, 촉매 잉크는, 개폐 밸브 (34) 를 일정한 주기로 개폐함으로써, 도공 노즐 (31) 의 토출구 (311) 로부터 단속적으로 토출된다. 이로써, 촉매 잉크가, 전해질막 (92) 의 표면에 반송 방향으로 일정한 간격으로 간헐 도공된다. 단, 촉매 잉크는, 개폐 밸브 (34) 를 연속적으로 개방함으로써, 전해질막 (92) 의 표면에 반송 방향으로 끊김없이 도공되어도 된다.
또한, 촉매 잉크 중의 촉매 재료에는, 고분자형 연료 전지의 애노드 또는 캐소드에 있어서 연료 전지 반응을 일으키는 재료가 사용된다. 구체적으로는, 백금 (Pt), 백금 합금, 백금 화합물 등을 촉매 재료로서 사용할 수 있다. 백금 합금의 예로는, 예를 들어, 루테늄 (Ru), 팔라듐 (Pd), 니켈 (Ni), 몰리브덴 (Mo), 이리듐 (Ir), 철 (Fe) 등으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종의 금속과 백금의 합금을 들 수 있다. 일반적으로는, 캐소드용 촉매 재료에는 백금이 사용되고, 애노드용 촉매 재료에는 백금 합금이 사용된다. 도공 노즐 (31) 로부터 토출되는 촉매 잉크는, 캐소드용이어도 되고 애노드용이어도 된다. 단, 전해질막 (92) 의 표리에 형성되는 촉매 재료 (9a, 9b) 는, 서로 역극성 촉매 재료로 한다.
건조로 (40) 는, 전해질막 (92) 의 표면에 도공된 촉매 잉크를 건조시키는 부위이다. 본 실시형태의 건조로 (40) 는, 흡착 롤러 (20) 에 의한 전해질막 (92) 의 반송 방향에 있어서, 촉매 공급부 (30) 보다 하류측에 배치되어 있다. 또, 건조로 (40) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면을 따라 원호상으로 형성되어 있다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 건조로 (40) 는, 3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 와, 2 개의 열차단부 (44, 45) 를 갖는다. 3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면을 향하여 가열된 기체 (열풍) 를 분사한다. 촉매 잉크가 도공된 전해질막 (92) 이 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 를 통과하면, 당해 열풍에 의해 촉매 잉크가 건조되어 고화된다. 즉, 촉매 잉크 중의 용매가 기화되어, 전해질막 (92) 의 표면에 촉매 재료 (9b) 의 층이 형성된다.
3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 는, 각각 온도가 상이한 열풍을 분사한다. 3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 로부터 분사되는 열풍의 온도는, 흡착 롤러 (20) 에 의한 전해질막 (92) 의 반송 방향의 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라 순차적으로 높아진다. 가장 반송 방향 상류측의 열풍 공급부 (41) 로부터 분사되는 열풍의 온도는, 예를 들어, 주위의 환경 온도 이상 또한 40 ℃ 이하가 된다. 2 번째의 열풍 공급부 (42) 로부터 분사되는 열풍의 온도는, 예를 들어, 40 ℃ 이상 또한 80 ℃ 이하가 된다. 또, 가장 반송 방향 하류측의 열풍 공급부 (43) 로부터 분사되는 열풍의 온도는, 예를 들어, 50 ℃ 이상 또한 100 ℃ 이하가 된다.
이와 같이, 본 실시형태의 건조로 (40) 에서는, 전해질막 (92) 에 분사하는 열풍의 온도를, 반송 방향 하류측을 향함에 따라 순차적으로 높게 한다. 이와 같이 하면, 전해질막 (92) 및 촉매 잉크의 온도를 완만하게 상승시킬 수 있다. 따라서, 급격한 건조에 의해 촉매 재료 (9b) 에 크랙 (crack) 등의 손상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
2 개의 열차단부 (44, 45) 는, 흡착 롤러 (20) 에 의한 전해질막 (92) 의 반송 방향에 있어서, 3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 의 상류측 및 하류측에 형성되어 있다. 즉, 일방의 열차단부 (44) 는, 가장 반송 방향 상류측의 열풍 공급부 (41) 보다 반송 방향의 상류측에 배치되고, 타방의 열차단부 (45) 는, 가장 반송 방향 하류측의 열풍 공급부 (43) 보다 반송 방향의 하류측에 배치되어 있다.
이들 열차단부 (44, 45) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면 근방의 기체를 흡인한다. 이로써, 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 로부터 분사된 열풍이, 열차단부 (44, 45) 를 넘어 반송 방향의 상류측 및 하류측으로 유출되는 것을 방지한다. 또, 건조시에 촉매 잉크로부터 발생한 용매의 증기가, 열차단부 (44, 45) 를 넘어 반송 방향의 상류측 및 하류측으로 유출되는 것도 방지한다.
도 3 은, 흡착 롤러 (20) 의 축심을 포함하는 단면에 있어서의, 건조로 (40) 의 개략 형상을 나타낸 도면이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 건조로 (40) 는, 1 쌍의 흡인부 (46, 47) 를 갖는다. 흡인부 (46, 47) 는, 열풍 공급부 (41 ∼ 43) 의 양측 가장자리부로부터 흡착 롤러 (20) 측을 향하여 판상으로 돌출된다. 또, 각 흡인부 (46, 47) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면의 양 측부를 따라 원호상으로 넓어진다. 이들 흡인부 (46, 47) 는, 주변의 기체를 흡인한다. 이로써, 열풍 공급부 (41, 43) 로부터 공급된 열풍이나, 용매의 증기가, 흡인부 (46, 47) 를 넘어 외측으로 유출되는 것을 방지한다.
첩부부 (50) 는, 촉매 재료 (9b) 의 층이 형성된 전해질막 (92) 의 표면에 띠상의 지지 필름 (93) 을 첩부한다. 첩부부 (50) 는, 흡착 롤러 (20) 에 의한 전해질막 (92) 의 반송 방향에 있어서, 건조로 (40) 보다 하류측에 배치되어 있다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 첩부부 (50) 는, 라미네이트 롤러 (laminating roller) (51), 필름 공급부 (52) 및 접합체 회수부 (53) 를 갖는다.
도 4 는, 라미네이트 롤러 (51) 의 부근의 확대도이다. 라미네이트 롤러 (51) 는, 수평하게 연장되는 축심 둘레로 회전하는 롤러이다. 라미네이트 롤러 (51) 는, 흡착 롤러 (20) 보다 직경이 작은 원통상의 외주면을 갖는다. 라미네이트 롤러 (51) 의 외주면과, 흡착 롤러 (20) 의 외주면은, 전해질막 (92) 및 지지 필름 (93) 이 통과하는 간극을 두고 서로 대향된다. 또, 라미네이트 롤러 (51) 는, 도시를 생략한 에어 실린더에 의해 흡착 롤러 (20) 측으로 가압되어 있다.
라미네이트 롤러 (51) 의 재료에는, 예를 들어, 열전도율이 높은 금속이 사용된다. 또, 라미네이트 롤러 (51) 의 내부에는, 통전에 의해 발열되는 히터 (511) 가 형성되어 있다. 히터 (511) 에는, 예를 들어, 시즈 히터 (sheathed heater) 를 사용할 수 있다. 히터 (511) 에 통전시키면, 라미네이트 롤러 (51) 의 외주면은, 히터 (511) 로부터 발생하는 열에 의해 환경 온도보다 높은 소정의 온도로 온도 조절된다. 또한, 히터 (511) 의 출력은, 라미네이트 롤러 (51) 의 외주면의 온도를 방사 온도계 등의 온도 센서를 사용하여 계측하고, 그 계측 결과에 기초하여, 라미네이트 롤러 (51) 의 외주면이 일정한 온도가 되도록 제어되어도 된다.
도 1 로 돌아온다. 필름 공급부 (52) 는, 필름 권출 롤러 (521) 및 제 3 검지 롤러 (522) 를 갖는다. 필름 권출 롤러 (521) 및 제 3 검지 롤러 (522) 는, 모두 라미네이트 롤러 (51) 와 평행하게 배치된다. 공급 전의 지지 필름 (93) 은, 필름 권출 롤러 (521) 에 감겨 있다. 필름 권출 롤러 (521) 는, 도시를 생략한 모터의 동력에 의해 회전한다. 지지 필름 (93) 은, 필름 권출 롤러 (521) 가 회전함으로써, 필름 권출 롤러 (521) 로부터 조출된다.
지지 필름 (93) 의 재료에는, 전해질막 (92) 보다 기계적 강도가 높고, 형상 유지 기능이 우수한 수지가 사용된다. 지지 필름 (93) 의 구체예로는, PEN (폴리에틸렌나프탈레이트) 나 PET (폴리에틸렌테레프탈레이트) 의 필름을 들 수 있다. 지지 필름 (93) 은, 기재 (91) 와 동일한 것이어도 된다. 또, 기재 권취 롤러 (131) 에 의해 권취된 기재 (91) 를, 지지 필름 (93) 으로서 필름 권출 롤러 (521) 로부터 조출하도록 해도 된다.
조출된 지지 필름 (93) 은, 제 3 검지 롤러 (522) 의 외주면에 접촉됨으로써 방향을 바꿔, 라미네이트 롤러 (51) 측으로 반송된다. 제 3 검지 롤러 (522) 는, 지지 필름 (93) 으로부터 받는 하중을 로드 셀로 계측함으로써, 필름 공급부 (52) 에 있어서 지지 필름 (93) 에 가해지는 장력을 검지한다. 후술하는 제어부 (70) 는, 제 3 검지 롤러 (522) 에 의해 검지되는 지지 필름 (93) 의 장력이 미리 설정된 값이 되도록 필름 권출 롤러 (521) 의 회전수를 제어한다.
제 3 검지 롤러 (522) 를 통과한 지지 필름 (93) 은, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 흡착 유지된 전해질막 (92) 과, 라미네이트 롤러 (51) 사이에 도입된다. 이 때, 지지 필름 (93) 은, 라미네이트 롤러 (51) 로부터의 압력에 의해 전해질막 (92) 에 눌려짐과 함께, 라미네이트 롤러 (51) 의 열에 의해 가열된다. 그 결과, 전해질막 (92) 의 외측의 면에 지지 필름 (93) 이 첩부된다. 전해질막 (92) 의 표면에 형성된 촉매 재료 (9b) 는, 전해질막 (92) 과 지지 필름 (93) 사이에 끼워진다. 이로써, 전해질막 (92), 촉매 재료 (9a, 9b) 및 지지 필름 (93) 으로 구성되는 막·촉매층 접합체 (94) 가 형성된다.
접합체 회수부 (53) 는, 접합체 권취 롤러 (531) 및 제 4 검지 롤러 (532) 를 갖는다. 접합체 권취 롤러 (531) 및 제 4 검지 롤러 (532) 는, 모두 라미네이트 롤러 (51) 와 평행하게 배치된다. 흡착 롤러 (20) 와 라미네이트 롤러 (51) 사이를 통과한 막·촉매층 접합체 (94) 는, 흡착 롤러 (20) 로부터 떨어져, 제 4 검지 롤러 (532) 의 방향으로 반송된다. 그리고, 막·촉매층 접합체 (94) 는, 제 4 검지 롤러 (532) 의 외주면에 접촉됨으로써 방향을 바꿔, 접합체 권취 롤러 (531) 측으로 반송된다.
접합체 권취 롤러 (531) 는, 도시를 생략한 모터의 동력에 의해 회전한다. 이로써, 막·촉매층 접합체 (94) 는, 접합체 권취 롤러 (531) 에 권취된다. 제 4 검지 롤러 (532) 는, 막·촉매층 접합체 (94) 로부터 받는 하중을 로드 셀로 계측함으로써, 접합체 회수부 (53) 에 있어서 막·촉매층 접합체 (94) 에 가해지는 장력을 검지한다. 후술하는 제어부 (70) 는, 제 4 검지 롤러 (532) 에 의해 검지되는 막·촉매층 접합체 (94) 의 장력이 미리 설정된 값이 되도록 접합체 권취 롤러 (531) 의 회전수를 제어한다.
표면 냉각부 (60) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면을 냉각시키기 위한 기구이다. 표면 냉각부 (60) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면 중, 첩부부 (50) 와 도입 박리부 (10) 사이의 전해질막 (92) 을 유지하지 않는 영역에 대향하는 위치에 배치된다. 표면 냉각부 (60) 는, 예를 들어, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 환경 온도보다 저온 (예를 들어 5 ℃ 정도) 의 클린 드라이 에어 (clean dry air) 를 분사한다. 건조로 (40) 및 라미네이트 롤러 (51) 에 의해 가열된 흡착 롤러 (20) 는, 당해 클린 드라이 에어를 받음으로써 냉각된다.
이와 같이, 본 실시형태의 제조 장치 (1) 에서는, 막 권출 롤러 (121) 로부터의 장척 띠상체 (90) 의 조출, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리, 전해질막 (92) 으로의 촉매 잉크의 도공, 건조로 (40) 에 의한 건조, 전해질막 (92) 으로의 지지 필름 (93) 의 첩부의 각 공정이 순차적으로 실행된다. 이로써, 고체 고분자형 연료 전지의 전극에 사용되는 막·촉매층 접합체 (94) 가 제조된다. 전해질막 (92) 은, 기재 (91), 흡착 롤러 (20), 또는 지지 필름 (93) 에 항상 유지되어 있다. 이로써, 제조 장치 (1) 에 있어서의 전해질막 (92) 의 팽윤·수축 등의 변형이 억제된다.
제어부 (70) 는, 제조 장치 (1) 내의 각 부를 동작 제어하기 위한 수단이다. 도 5 는, 제어부 (70) 와, 제조 장치 (1) 내의 각 부의 접속을 나타낸 블록도이다. 도 5 중에 개념적으로 나타낸 바와 같이, 제어부 (70) 는, CPU 등의 연산 처리부 (71), RAM 등의 메모리 (72) 및 하드 디스크 드라이브 등의 기억부 (73) 를 갖는 컴퓨터에 의해 구성된다. 기억부 (73) 내에는, 인쇄 처리를 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 P 가 인스톨되어 있다.
또, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 제어부 (70) 는, 상기 서술한 막 권출 롤러 (121) 의 모터, 제 1 검지 롤러 (122) 의 로드 셀, 기재 권취 롤러 (131) 의 모터, 제 2 검지 롤러 (132) 의 로드 셀, 흡착 롤러 (20) 의 모터, 흡착 롤러 (20) 의 흡인 기구, 흡착 롤러 (20) 의 급수 기구, 개폐 밸브 (34), 3 개의 열풍 공급부 (41 ∼ 43), 2 개의 열차단부 (44, 45), 2 개의 흡인부 (46, 47), 히터 (511), 필름 권출 롤러 (521) 의 모터, 제 3 검지 롤러 (522) 의 로드 셀, 접합체 권취 롤러 (531) 의 모터, 제 4 검지 롤러 (532) 의 로드 셀 및 표면 냉각부 (60) 와, 각각 통신 가능하게 접속되어 있다. 또, 제어부 (70) 는, 후술하는 개폐 밸브 (85)와도 통신 가능하게 접속되어 있다.
제어부 (70) 는, 기억부 (73) 에 기억된 컴퓨터 프로그램 P 나 데이터를 메모리 (72) 에 일시적으로 판독 출력하여, 당해 컴퓨터 프로그램 P 에 기초하여, 연산 처리부 (71) 가 연산 처리를 실시함으로써, 상기 각 부를 동작 제어한다. 이로써, 제조 장치 (1) 에 있어서의 막·촉매 접합체의 제조 처리가 진행된다.
＜2. 전해질막의 들뜸 억제에 대하여＞
계속해서, 전해질막 (92) 으로부터 기재 (91) 를 박리할 때, 흡착 롤러 (20) 로부터 전해질막 (92) 이 들뜨는 것을 억제하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
＜2-1. 기체 공급부에 대하여＞
도 6 은, 박리 롤러 (11), 기체 공급부 (14) 및 흡착 롤러 (20) 의 사시도이다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 기체 공급부 (14) 는, 통상의 부재의 선단으로부터 기체를 토출하는 복수의 파이프 노즐 (pipe nozzle) (81) 을 갖는다. 복수의 파이프 노즐 (81) 은, 전해질막 (92) 의 폭 방향 (전해질막의 반송 방향에 대해 직교하고, 또한, 전해질막의 표면 및 이면과 평행한 방향. 이하 동일) 을 따라 대략 등간격으로 배열되어 있다. 각 파이프 노즐 (81) 의 토출구는 전해질막 (92) 의 표면을 향하고 있다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 흡착 롤러 (20) 의 축심을 중심으로 하는 파이프 노즐 (81) 의 배치 위치와 도공 노즐 (31) 의 배치 위치 사이의 각도 θ 는 90 도 이하가 되어 있다.
도 6 중에 개념적으로 나타낸 바와 같이, 복수의 파이프 노즐 (81) 에는, 각각 급기 배관 (82) 이 유로 접속되어 있다. 각 급기 배관 (82) 의 타단은, 1 개의 주배관 (83) 에 유로 접속되어 있다. 그리고, 주배관 (83) 의 타단은, 기체 공급원 (84) 에 유로 접속되어 있다. 기체 공급원 (84) 에는 대기압보다 고압의 기체가 충전되어 있다. 또, 주배관 (83) 의 경로 상에는 개폐 밸브 (85) 가 형성되어 있다.
이 때문에, 개폐 밸브 (85) 를 개방하면, 기체는, 기체 공급원 (84) 으로부터 주배관 (83) 및 복수의 급기 배관 (82) 을 지나 복수의 파이프 노즐 (81) 에 공급된다. 그리고, 기체는, 각 파이프 노즐 (81) 의 토출구로부터 전해질막 (92) 의 표면을 향하여 토출된다. 파이프 노즐 (81) 로부터 토출되는 기체에는, 예를 들어, 클린 드라이 에어를 사용할 수 있다. 단, 클린 드라이 에어 대신에 건조된 청정한 질소 가스 등의 불활성 가스를 사용해도 된다. 또, 전해질막 (92) 등에 정전기가 대전되는 것을 억제하기 위해 이온화된 기체인 제전 (除電) 에어를 사용해도 된다.
도 7 은, 장척 띠상체 (90) 의 도입으로부터 촉매 잉크의 공급까지의 처리의 흐름을 나타낸 플로 차트이다. 기술한 바와 같이, 이 제조 장치 (1) 에서는, 먼저, 막 권출 롤러 (121) 로부터 조출된 장척 띠상체 (90) 가, 흡착 롤러 (20) 와 박리 롤러 (11) 의 간극 (15) 에 도입된다 (스텝 S1). 간극 (15) 을 통과한 전해질막 (92) 은, 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 흡착 유지된다. 한편, 간극 (15) 을 통과한 기재 (91) 는, 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송된다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터 기재 (91) 가 박리된다 (스텝 S2). 이 때, 기체 공급부 (14) 는, 박리 직후의 전해질막 (92) 을 향하여 기체를 분사한다 (스텝 S3). 이로써, 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸이 억제된다. 그 후, 흡착 롤러 (20) 에 흡착 유지된 전해질막 (92) 의 외측의 면에 도공 노즐 (31) 로부터 촉매 잉크가 공급된다 (스텝 S4).
도 8 은, 흡착 롤러 (20) 에 유지된 전해질막 (92) 과, 복수의 파이프 노즐 (81) 의 폭 방향의 위치 관계를 나타낸 도면이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 복수의 파이프 노즐 (81) 은, 폭 방향으로 배열되는 복수의 토출 영역 (A) 을 향하여 기체를 분사한다. 폭 방향의 양단에 배치된 2 개의 파이프 노즐 (81) 은, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부에 위치하는 토출 영역 (A) (이하, 「제 1 토출 영역 (A1)」이라 칭한다) 를 향하여 기체를 분사한다. 다른 파이프 노즐 (81) 은, 2 개의 제 1 토출 영역 (A1) 사이에 위치하는 복수의 토출 영역 (A) (이하, 「제 2 토출 영역 (A2)」이라 칭한다) 을 향하여 기체를 분사한다. 이와 같이, 전해질막 (92) 에 기체를 분사함으로써, 전해질막 (92) 을 흡착 롤러 (20) 의 외주면에 누른다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리가 촉진된다. 또, 전해질막 (92) 이, 기재 (91) 와 함께 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터 들뜨는 것을 억제할 수 있다.
특히, 흡착 롤러 (20) 의 외주면 중, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부에 접촉되는 부분은, 전해질막 (92) 에 접촉되지 않고 외기에 노출되는 부분과 인접하기 때문에, 흡인구 (21) 의 압력이 저하되기 어렵다. 따라서, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부 부근에서는, 흡인구 (21) 에 의한 흡착력이 작아진다. 그래서, 이 기체 공급부 (14) 는, 도 8 과 같이, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부에 위치하는 1 쌍의 제 1 토출 영역 (A1) 을 향하여 기체를 분사한다. 이와 같이 하면, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 양 단부가, 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터 들뜨는 것을 억제할 수 있다.
기체 공급부 (14) 는, 적어도, 흡착력이 작아지는 1 쌍의 제 1 토출 영역 (A1) 을 향하여 기체를 분사하면 된다. 그러나, 본 실시형태와 같이, 기체가, 제 1 토출 영역 (A1) 뿐만아니라, 그 내측에 위치하는 제 2 토출 영역 (A2) 에도 분사됨으로써, 흡착 롤러 (20) 로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸을 보다 억제할 수 있다. 제 2 토출 영역 (A2) 의 수는, 1 개여도 되고 복수여도 된다.
또, 이 기체 공급부 (14) 는, 전해질막 (92) 의 폭 방향의 전체에 균일하게 기체를 분사하는 것이 아니라, 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역 (A) 을 향하여 기체를 분사한다. 이 때문에, 각 토출 영역 (A) 에 분사된 기체는, 도 8 중의 파선 화살표와 같이, 이웃하는 파이프 노즐 (81) 사이를 지나, 흡착 롤러 (20) 로부터 멀어진다. 이로써, 도공 노즐 (31) 측으로 흐르는 기체의 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 기체 공급부 (14) 의 영향으로 도공 노즐 (31) 로부터 토출되는 촉매 잉크가 흐트러지거나, 촉매 잉크가 의도에 반해 건조되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 기체 공급부 (14) 에서 기인되는 도공 불량의 발생을 억제할 수 있다.
특히, 이 제조 장치 (1) 에서는, 복수의 파이프 노즐 (81) 과 도공 노즐 (31) 이 가까운 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 흡착 롤러 (20) 의 축심을 중심으로 하는 파이프 노즐 (81) 의 배치 위치와 도공 노즐 (31) 의 배치 위치 사이의 각도 (스텝 S3 부터 스텝 S4 까지의 전해질막 (92) 의 회전 각도) θ 가 90 도 이하이다. 기체 공급부 (14) 로부터 분사되는 기체는, 이와 같은 위치 관계에 있음으로써, 도공 노즐 (31) 측으로 흐르기 쉬워진다. 이 때문에, 파이프 노즐 (81) 로부터 토출되는 기체가 흡착 롤러 (20) 로부터 멀어지기 위한 유로를 확보하여, 도공 노즐 (31) 에 대한 영향을 억제하는 것이 특히 중요해진다.
또, 본 실시형태에서는, 도 2 와 같이, 파이프 노즐 (81) 이, 흡착 롤러 (20) 의 반경 방향에 대해 비스듬하게 배치되어 있다. 그리고, 기체는, 파이프 노즐 (81) 로부터 간극 (15) 측 (도공 노즐 (31) 로부터 멀어지는 방향) 을 향하여 토출된다. 이로써, 도공 노즐 (31) 측으로 흐르는 기체의 양이 보다 저감된다. 그 결과, 기체 공급부 (14) 에서 기인되는 도공 불량의 발생을 보다 억제할 수 있다.
＜2-2. 회전 속도 조정부에 대하여＞
이 제조 장치 (1) 는, 흡착 롤러 (20) 의 회전 속도와, 박리 롤러 (11) 의 회전 속도의 관계를 조정하는 회전 속도 조정부 (16) 를 추가로 갖는다. 도 9 는, 흡착 롤러 (20), 박리 롤러 (11) 및 회전 속도 조정부 (16) 의 구성을 나타낸 측면도이다.
본 실시형태의 박리 롤러 (11) 는, 모터 등의 구동원에 직접 접속되지 않아, 자발적으로는 회전하지 않는 프리 롤러이다. 상기 서술한 바와 같이, 박리 롤러 (11) 는, 도시를 생략한 에어 실린더에 의해, 흡착 롤러 (20) 측으로 가압되어 있다. 이 때문에, 박리 롤러 (11) 는, 흡착 롤러 (20) 의 회전에 수반하여, 장척 띠상체 (90) 를 통하여 받는 힘에 의해 종동 회전된다. 단, 박리 롤러 (11) 의 회전축 (111) 의 단부에는, 회전 속도 조정부 (16) 로서의 제동부 (161) 가 형성되어 있다. 제동부 (161) 에는, 예를 들어, 분체의 마찰을 이용하여 제동력을 발생시키는 파우더 클러치 (powder clutch) 를 사용할 수 있다.
박리 롤러 (11) 가 회전하면, 제동부 (161) 는, 박리 롤러 (11) 의 회전에 반대되는 방향의 저항력을 발생시킨다. 이로써, 박리 롤러 (11) 의 회전에 부하가 발생한다. 그 결과, 간극 (15) 에 있어서의 흡착 롤러 (20) 의 외주면의 이동 속도 (도 2 중의 화살표 v1) 보다, 간극 (15) 에 있어서의 박리 롤러 (11) 의 외주면의 이동 속도 (도 2 중의 화살표 v2) 가 약간 느려진다. 이와 같이, 박리 롤러 (11) 의 회전 속도를 저하시키면, 박리 롤러 (11) 에 접촉되는 기재 (91) 의 전해질막 (92) 을 박리 롤러 (11) 측으로 끌어당기는 힘이 약해진다. 따라서, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리가 촉진된다. 그 결과, 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸이 보다 억제된다.
또한, 박리 롤러 (11) 의 외주면과 기재 (91) 가, 서로 상대 이동할 수 없으면, 전해질막 (92) 의 반송 속도보다 기재 (91) 의 반송 속도가 느려진다. 이 때, 전해질막 (92) 은, 과도한 장력이 가해져 손상될 우려가 있다. 이 때문에, 박리 롤러 (11) 는, 기재 (91) 에 대해 슬라이딩하면서 회전하는 것이 바람직하다.
또한, 박리 롤러 (11) 를 자발적으로 회전시켜, 그 회전 속도를 제어하도록 해도 된다. 예를 들어, 도 10 과 같이, 박리 롤러 (11) 의 회전축 (111) 의 단부에, 회전 속도 조정부 (16) 로서의 서보 모터 (servo motor) (162) 를 접속해도 된다. 서보 모터 (162) 는, 상기 서술한 제어부 (70) 에 접속되어, 제어부 (70) 로부터 공급되는 제어 신호에 기초하여 회전수를 조정할 수 있는 모터이다. 도 10 의 구성에서는, 제어부 (70) 가, 간극 (15) 에 있어서의 흡착 롤러 (20) 의 외주면의 이동 속도보다, 간극 (15) 에 있어서의 박리 롤러 (11) 의 외주면의 이동 속도가 약간 느려지도록 서보 모터 (162) 의 회전수를 조정한다. 이로써, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리를 촉진시켜, 흡착 롤러 (20) 로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸을 억제할 수 있다.
＜2-3. 장력 조정에 대하여＞
기술한 바와 같이, 제어부 (70) 는, 제 1 검지 롤러 (122) 에 의해 검지되는 장척 띠상체 (90) 의 장력이, 미리 설정된 값 (이하, 「제 1 설정값」이라 칭한다) 이 되도록 막 권출 롤러 (121) 의 회전수를 제어한다. 이로써, 도입부 (12) 에 있어서의 장척 띠상체 (90) 의 장력을 일정한 제 1 설정값으로 유지한다. 또, 제어부 (70) 는, 제 2 검지 롤러 (132) 에 의해 검지되는 기재 (91) 의 장력이, 미리 설정된 값 (이하, 「제 2 설정값」이라 칭한다) 이 되도록, 기재 권취 롤러 (131) 의 회전수를 제어한다. 이로써, 배출부 (13) 에 있어서의 기재 (91) 의 장력을 일정한 제 2 설정값으로 유지한다.
즉, 본 실시형태에서는, 막 권출 롤러 (121), 제 1 검지 롤러 (122), 기재 권취 롤러 (131) 및 제 2 검지 롤러 (132) 가, 도입부 (12) 에 있어서의 장척 띠상체 (90) 의 장력과, 배출부 (13) 에 있어서의 기재 (91) 의 장력의 관계를 조정하는 장력 조정부를 구성하고 있다.
본 실시형태의 제조 장치 (1) 에서는, 상기 서술한 제 1 설정값보다, 상기 서술한 제 2 설정값이 낮은 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 막 권출 롤러 (121) 및 기재 권취 롤러 (131) 의 회전수가 제어됨으로써, 배출부 (13) 에 있어서의 기재 (91) 의 장력은, 도입부 (12) 에 있어서의 장척 띠상체 (90) 의 장력보다 작아진다. 이와 같이, 간극 (15) 에 도입되는 장척 띠상체 (90) 의 장력보다, 박리 후의 기재 (91) 의 장력을 작게 함으로써, 기재 (91) 의 전해질막 (92) 을 끌어당기는 힘은 약해진다. 따라서, 전해질막 (92) 으로부터의 기재 (91) 의 박리가 촉진된다. 그 결과, 흡착 롤러 (20) 의 외주면으로부터의 전해질막 (92) 의 들뜸이 보다 억제된다.
＜3. 변형예＞
이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
상기 실시형태에서는, 기체 공급부 (14) 에 복수의 파이프 노즐 (81) 을 사용하였다. 그러나, 기체 공급부 (14) 는, 파이프 노즐 이외의 노즐에 의해 구성되어 있어도 된다. 예를 들어, 전해질막 (92) 의 반송 방향을 따라 연장되는 슬릿상의 토출구를 갖는 복수의 노즐을 폭 방향으로 배열해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 흡착 롤러 (20) 의 축심을 중심으로 하는 파이프 노즐 (81) 의 배치 위치와 도공 노즐 (31) 의 배치 위치 사이의 각도 θ (도 1 참조) 가 90 도 이하였다. 그러나, 파이프 노즐 (81) 의 배치 위치와 도공 노즐 (31) 의 배치 위치 사이의 각도 θ 는, 90 도 보다 크게 해도 된다. 파이프 노즐 (81) 로부터 토출되는 기체는, 파이프 노즐 (81) 의 배치 위치와 도공 노즐 (31) 의 배치 위치 사이의 각도 θ 를 크게 함으로써, 도공 노즐 (31) 에 도달하기 어려워진다. 따라서, 도공 노즐 (31) 로부터 토출되는 촉매 잉크가, 기체 공급부 (14) 의 영향에 의해, 흐트러지거나 의도에 반해 건조되거나 하는 것을 보다 억제할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 일방의 면에 미리 촉매 재료 (9a) 의 층이 형성된 전해질막 (92) 의 타방의 면에 촉매 재료 (9b) 를 형성하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 제조 장치는, 표리 중 어느 면에도 촉매 재료 (9a) 의 층이 형성되어 있지 않은 전해질막에 대해 촉매 재료를 형성하는 것이어도 된다.
또, 제조 장치의 세부의 구성에 대해서는, 본원의 각 도면과 상이해도 된다. 또, 상기 실시형태나 변형예에 등장한 각 요소를 모순이 발생하지 않는 범위에서 적절히 조합해도 된다.
1 : 제조 장치
9a, 9b : 촉매 재료
10 : 도입 박리부
11 : 박리 롤러
12 : 도입부
13 : 배출부
14 : 기체 공급부
15 : 간극
16 : 회전 속도 조정부
20 : 흡착 롤러
21 : 흡인구
22 : 수랭관
30 : 촉매 공급부
31 : 도공 노즐
40 : 건조로
50 : 첩부부
60 : 표면 냉각부
70 : 제어부
81 : 파이프 노즐
82 : 급기 배관
83 : 주배관
84 : 기체 공급원
85 : 개폐 밸브
90 : 장척 띠상체
91 : 기재
92 : 전해질막
93 : 지지 필름
94 : 촉매층 접합체
121 : 막 권출 롤러
122 : 제 1 검지 롤러
131 : 기재 권취 롤러
132 : 제 2 검지 롤러
161 : 제동부
162 : 서보 모터
A : 토출 영역
A1 : 제 1 토출 영역
A2 : 제 2 토출 영역

Claims (18)

  1. 기재 및 전해질막의 적어도 2 층으로 구성되는 장척 띠상체로부터 상기 전해질막을 박리하고, 박리된 상기 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 막·촉매층 접합체의 제조 장치로서,
    상기 전해질막을 외주면에 흡착 유지하면서 그 축심 둘레로 제 1 방향으로 회전하는 흡착 롤러와,
    상기 흡착 롤러의 외주면에, 상기 장척 띠상체를, 상기 기재가 외측이 되는 자세로 도입함과 함께, 상기 전해질막으로부터 상기 기재를 박리하는 도입 박리부와,
    상기 흡착 롤러에 흡착 유지된 상기 전해질막의 외측의 면에 촉매 재료를 공급하는 촉매 공급부를 구비하고,
    상기 도입 박리부는,
    상기 장척 띠상체가 통과하는 간극을 두고 상기 흡착 롤러에 대향하고, 상기 흡착 롤러와 평행한 축심 둘레로, 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 회전하는 박리 롤러와,
    상기 간극을 향하여 상기 장척 띠상체를 도입하는 도입부와,
    상기 간극을 통과한 상기 기재를, 상기 흡착 롤러의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송하는 배출부와,
    상기 간극을 통과하여 상기 흡착 롤러에 흡착 유지되는 상기 전해질막의 외측의 면에 기체를 분사하는 기체 공급부를 갖고,
    상기 기체 공급부는, 상기 전해질막의 폭 방향을 따라 간격을 두고 배열된 복수의 노즐을 가지며, 적어도 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부를 포함하는 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역을 향하여 기체를 분사하는 막·촉매층 접합체의 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 토출 영역은,
    상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부와,
    상기 양 단부 사이에 위치하는 적어도 1 개의 영역을 포함하는 막·촉매층 접합체의 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착 롤러의 상기 축심을 중심으로 하는 상기 기체 공급부와 상기 촉매 공급부 사이의 각도는 90 도 이하인 막·촉매층 접합체의 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도입부에 있어서의 상기 장척 띠상체의 장력과, 상기 배출부에 있어서의 상기 기재의 장력의 관계를 조정하는 장력 조정부를 추가로 갖는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 장력 조정부는, 상기 도입부에 있어서의 상기 장척 띠상체의 장력보다, 상기 배출부에 있어서의 상기 기재의 장력을 작게 하는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착 롤러의 회전 속도와, 상기 박리 롤러의 회전 속도의 관계를 조정하는 회전 속도 조정부를 추가로 갖는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전 속도 조정부는, 상기 간극에 있어서의 상기 흡착 롤러의 외주면의 이동 속도보다, 상기 간극에 있어서의 상기 박리 롤러의 외주면의 이동 속도를 느리게 하는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 박리 롤러는, 상기 흡착 롤러의 회전에 수반하여 종동 회전하고,
    상기 회전 속도 조정부는, 상기 박리 롤러의 회전에 부하를 가하는 제동부를 포함하는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전 속도 조정부는, 상기 박리 롤러의 회전수를 조정 가능한 서보 모터를 포함하는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 박리 롤러는, 상기 기재와 슬라이딩하면서 회전하는 막·촉매 접합체의 제조 장치.
  11. 기재 및 전해질막의 적어도 2 층으로 구성되는 장척 띠상체로부터 상기 전해질막을 박리하고, 박리된 상기 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 막·촉매층 접합체의 제조 방법으로서,
    a) 서로 평행하게 배치된 흡착 롤러와 박리 롤러 사이의 간극에, 상기 장척 띠상체를 도입하는 공정과,
    b) 상기 간극을 통과한 상기 전해질막을 상기 흡착 롤러에 흡착 유지시킴과 함께, 상기 간극을 통과한 상기 기재를, 상기 흡착 롤러의 외주면으로부터 멀어지는 방향으로 반송함으로써, 상기 전해질막으로부터 상기 기재를 박리하는 공정과,
    c) 상기 간극을 통과하여 상기 흡착 롤러에 흡착 유지되는 상기 전해질막의 외측의 면에, 기체를 분사하는 공정과,
    d) 상기 흡착 롤러에 흡착 유지된 상기 전해질막의 외측의 면에, 촉매 재료를 공급하는 공정을 구비하고,
    상기 공정 c) 에서는, 상기 전해질막의 폭 방향을 따라 간격을 두고 배열된 복수의 노즐로부터, 적어도 상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부를 포함하는 폭 방향으로 불연속인 복수의 토출 영역을 향하여 기체를 분사하는 막·촉매층 접합체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 토출 영역은,
    상기 전해질막의 폭 방향의 양 단부와,
    상기 양 단부 사이에 위치하는 적어도 1 개의 영역을 포함하는 막·촉매층 접합체의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 공정 c) 부터 상기 공정 d) 까지의 상기 전해질막의 회전 각도는 90 도 이하인 막·촉매층 접합체의 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 도입되는 상기 장척 띠상체의 장력과, 박리 후의 상기 기재의 장력의 관계를 조정하는 막·촉매 접합체의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 도입되는 상기 장척 띠상체의 장력보다 박리 후의 상기 기재의 장력을 작게 하는 막·촉매 접합체의 제조 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정 b) 에 있어서, 상기 흡착 롤러의 회전 속도와, 상기 박리 롤러의 회전 속도의 관계를 조정하는 막·촉매 접합체의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 공정 b) 에 있어서, 상기 간극에 있어서의 상기 흡착 롤러의 외주면의 이동 속도보다, 상기 간극에 있어서의 상기 박리 롤러의 외주면의 이동 속도를 느리게 하는 막·촉매 접합체의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 공정 b) 에 있어서, 상기 박리 롤러는, 상기 기재와 슬라이딩하면서 회전하는 막·촉매 접합체의 제조 방법.
KR1020160090559A 2015-09-28 2016-07-18 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법 KR101884065B1 (ko)

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