KR20140136391A - 복합막의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

복합막의 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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요시노리 다카기
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

(과제) 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있는 복합막의 제조 장치 및 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 전해질막 권출 롤러(12)로부터 백시트가 부착된 전해질막이 송출되고, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 전해질막의 제2면을 흡착 롤러(20)에 흡착시킨 상태로 백시트를 박리한다. 백시트가 박리된 전해질막을 흡착 롤러(20)에 흡착 지지한 상태로 반송하면서, 전해질막의 제1면에 전극 잉크를 도공하여 전극 잉크층을 형성하고, 거기에 열풍을 내뿜어 건조시키고 촉매층으로 한다. 그 후, 흡착 롤러(20)에 근접 배치된 제2 프레스 롤러(51)의 외주면이 전해질막의 제1면에 접촉하여 지지한 상태로 제3 프레스 롤러(52)가 전해질막의 제2면에 지지 필름을 눌러 접합하고, 막·촉매층 접합체를 제조한다.

Description

복합막의 제조 장치 및 제조 방법{COMPOSITE FILM PRODUCING APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING COMPOSITE FILM}
본 발명은, 띠형상의 박막 상에 기능층을 형성한 복합막, 예를 들면 연료 전지의 막·촉매층 접합체의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 자동차, 가정용, 휴대전화 등의 구동 전원으로서 연료 전지가 주목받고 있다. 연료 전지는, 연료에 포함되는 수소(H2)와 공기중의 산소(O2)의 전기 화학 반응에 의해서 전력을 만들어내는 발전 시스템이며, 발전 효율이 높고 환경에 대한 부하도 가볍다는 특징을 갖는다.
연료 전지에는, 사용하는 전해질에 의해서 몇 가지 종류가 존재하는데, 그 중의 하나로 전해질로서 이온 교환막(전해질막)을 이용한 고체 고분자형 연료 전지(PEFC:Polymer electrolyte fuel cell)가 있다. 고체 고분자형 연료 전지는, 상온에서의 동작 및 소형 경량화가 가능하기 때문에, 자동차나 휴대 기기로의 적용이 기대되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지의 셀에 사용되는 막·촉매층 접합체(CCM:Catalyst-coated membrane)는, 전해질의 박막의 양면에 기능층으로서 촉매층을 형성한 복합막이다. 그 막·촉매층 접합체의 양측에 가스 확산층, 세퍼레이터를 배치함으로써, 단위 셀이 구성된다. 이러한 막·촉매층 접합체는, 백금(Pt)을 포함하는 촉매를 알코올 등의 용매중에 분산시킨 전극 잉크(전극 페이스트)를 전해질막의 표면에 도공(塗工)함으로써 제작된다. 그런데, 전해질막은 전극 잉크에 포함되는 용매나 분위기중의 수분을 용이하게 흡수하여 팽윤·수축을 발생시키기 쉽다고 하는 성질을 갖고 있다. 이 때문에, 전극 잉크를 도공하여 건조하는 경우에 전해질막에 주름이나 핀홀이 발생한다고 하는 문제가 있었다. 전해질막에 주름이나 핀홀이 발생하면 연료 전지의 발전 성능이 저하하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 특허 문헌 1에는, 흡인 가열 롤러에 의해서 전해질막을 흡인하면서 반송하고, 그 전해질막에 도포된 전극 잉크를 바로 가열하여 건조함으로써, 전해질막의 변형을 억제하는 기술이 개시되어 있다. 또, 특허 문헌 2에도, 롤러에 흡착한 전해질막에 전극 잉크를 스프레이 도포하고, 그 전극 잉크를 롤러에 의한 가열에 의해서 건조하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, 한쪽면에 형상 유지 필름이 붙여진 전해질막을 백업 롤러에 현가(懸架)해 상기 전해질막의 다른쪽 면에 촉매 잉크를 도포하고, 촉매 잉크의 건조 후에 촉매층이 형성된 전해질의 다른쪽 면에도 형상 유지 필름을 붙임으로써 전해질막에 주름이 발생하는 것을 방지하는 것이 개시되어 있다.
일본국 특허 공개 2001-70863호 공보 일본국 특허 공개 2004-351413호 공보 일본국 특허 공개 2011-165460호 공보
그러나, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시되는 기술에서는, 롤러에 의해서 전해질막을 흡착한 상태로 전극 잉크를 도공하고 있기 때문에, 도공시의 전해질막의 팽윤에 의한 변형은 막을 수 있지만, 도공 후에 롤러로부터 전해질막이 떨어져나갔을 때에는 전극 잉크의 용매의 흡수 및 잉크의 건조에 의해 팽윤·수축이 생길 우려가 있다. 또, 특허 문헌 3에 개시되는 기술에서는, 전해질막을 단순히 백업 롤러에 현가하고 있을 뿐이므로, 팽윤의 정도가 큰 용제를 사용한 전극 잉크를 도공한 경우에는 도공시에 전해질막이 형상 유지 필름으로부터 어긋나 변형될 우려가 있다. 즉, 어느 경우에나, 막·촉매층 접합체의 제조시에 전해질막의 변형이 발생할 가능성이 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있는 복합막의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1의 발명은, 띠형상의 박막 상에 기능층을 형성한 복합막의 제조 장치에 있어서, 외주면에서 상기 박막을 흡착하여 지지하는 흡착 롤러와, 상기 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 상기 박막의 한쪽면에 도공액을 도공하는 도공 수단과, 상기 흡착 롤러의 외주면의 일부를 덮도록 설치되고, 상기 박막의 한쪽면에 도공된 상기 도공액을 건조시켜 상기 기능층을 형성하는 건조 수단과, 상기 기능층이 형성된 상기 박막의 다른쪽 면에 띠형상의 제1 지지 부재를 접합하는 접합 수단을 구비하고, 상기 접합 수단은, 상기 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하면서 상기 박막의 한쪽면에 접촉하여 상기 박막을 지지하는 제1 롤러를 갖고, 상기 제1 롤러의 외주면에 상기 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 접합하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 접합 수단은, 상기 제1 롤러와 접촉 또는 근접하면서, 상기 제1 롤러의 외주면에 접촉 지지된 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 가압하는 제2 롤러를 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 한쪽면에 띠형상의 제2 지지 부재가 접합된 상기 박막으로부터 상기 제2 지지 부재를 박리하는 박리 수단을 더 구비하고, 상기 박리 수단은, 상기 흡착 롤러에 상기 박막의 다른쪽 면이 흡착된 상태로 상기 제2 지지 부재를 박리하는 제3 롤러를 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 건조 수단은, 복수의 건조 존으로 분할되고, 상기 복수의 건조 존의 건조 온도는, 상기 박막이 반송되는 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 높아지는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 4의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 건조 수단은, 적어도 상기 반송 방향의 가장 상류측에 열 차단 존을 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 접합 수단에 의해서 상기 제1 지지 부재가 접합된 상기 박막을 가열하는 보조 건조 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 도공 수단은, 슬릿형상의 토출구를 구비하는 슬릿 노즐을 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 흡착 롤러를 냉각하는 냉각 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 9의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 흡착 롤러의 외주면에 에어를 분출하는 분출 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 10의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 도공 수단은, 상기 박막에 도공액을 단속적으로 도공하는 간헐 도공을 행하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 11의 발명은, 청구항 3의 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 접합 수단은, 상기 박리 수단이 박리한 상기 제2 지지 부재를 상기 제1 지지 부재로서 상기 박막의 다른쪽 면에 접합하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 12의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 발명에 따른 복합막의 제조 장치에 있어서, 상기 박막은 연료 전지용 전해질막이며, 상기 도공액은 전극 페이스트인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 13의 발명은, 띠형상의 박막 상에 기능층을 형성한 복합막의 제조 방법에 있어서, 흡착 롤러의 외주면에 상기 박막을 흡착하여 지지하는 흡착 지지 공정과, 상기 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 상기 박막의 한쪽면에 도공액을 도공하는 도공 공정과, 상기 박막의 한쪽면에 도공된 상기 도공액을 건조시켜 상기 기능층을 형성하는 건조 공정과, 상기 기능층이 형성된 상기 박막의 다른쪽 면에 띠형상의 제1 지지 부재를 접합하는 접합 공정을 구비하고, 상기 접합 공정은, 상기 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하면서 상기 박막의 한쪽면에 접촉하여 상기 박막을 지지하는 제1 롤러의 외주면에 상기 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 접합하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 14의 발명은, 청구항 13의 발명에 따른 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 접합 공정은, 상기 제1 롤러의 외주면에 접촉 지지된 상기 박막의 다른쪽 면에 제2 롤러에 의해서 상기 제1 지지 부재를 가압하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 15의 발명은, 청구항 14의 발명에 따른 복합막의 제조 방법에 있어서, 한쪽면에 띠형상의 제2 지지 부재가 접합된 상기 박막으로부터 상기 제2 지지 부재를 박리하는 박리 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 16의 발명은, 청구항 13의 발명에 따른 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 도공 공정은, 상기 박막에 도공액을 단속적으로 도공하는 간헐 도공을 행하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 17의 발명은, 청구항 15의 발명에 따른 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 접합 공정은, 상기 박리 공정에서 박리된 상기 제2 지지 부재를 상기 제1 지지 부재로서 상기 박막의 다른쪽 면에 접합하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 18의 발명은, 청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 한 항의 발명에 따른 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 박막은 연료 전지용 전해질막이며, 상기 도공액은 전극 페이스트인 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 12의 발명에 의하면, 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 박막의 한쪽면에 도공액을 도공하고, 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하는 제1 롤러의 외주면에 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 박막의 다른쪽 면에 제1 지지 부재를 접합하므로, 도공액의 도공시 이후는 박막이 흡착 롤러, 제1 롤러 및 제1 지지 부재에 의해서 연속적으로 지지되게 되어, 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 흡착 롤러에 박막의 다른쪽 면이 흡착된 상태로 한쪽면으로부터 제2 지지 부재를 박리하므로, 복합막의 일련의 제조 공정 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있다.
특히, 청구항 4의 발명에 의하면, 복수의 건조 존의 건조 온도는, 박막이 반송되는 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 높아지므로, 도공된 도공액은 서서히 건조되게 되어, 급격한 건조에 기인한 기능층으로의 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
특히, 청구항 5의 발명에 의하면, 건조 수단이 적어도 반송 방향의 가장 상류측에 열 차단 존을 가지므로, 열 분위기가 누출되는 것으로 인한 도공 불량을 방지할 수 있다.
특히, 청구항 6의 발명에 의하면, 제1 지지 부재가 접합된 박막을 가열하는 보조 건조 수단을 구비하므로, 도공액을 충분히 건조시킬 수 있다.
특히, 청구항 8의 발명에 의하면, 흡착 롤러를 냉각하는 냉각 수단을 구비하므로, 흡착 롤러의 축열을 방지하여 도공시에 도공액이 급격하게 건조되는 것을 방지할 수 있다.
청구항 13 내지 청구항 18의 발명에 의하면, 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 박막의 한쪽면에 도공액을 도공하고, 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하는 제1 롤러의 외주면에 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 박막의 다른쪽 면에 제1 지지 부재를 접합하므로, 도공액의 도공시 이후에는 박막이 흡착 롤러, 제1 롤러 및 제1 지지 부재에 의해서 연속적으로 지지되게 되어, 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있다.
특히, 청구항 15의 발명에 의하면, 한쪽면에 띠형상의 제2 지지 부재가 접합된 박막으로부터 제2 지지 부재를 박리하므로, 복합막의 일련의 제조 공정 전체에 걸쳐서 박막의 변형을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합막의 제조 장치의 전체 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 제조 장치의 측면도이다.
도 3은 흡착 롤러 및 건조로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 흡착 롤러 및 건조로의 정면도이다.
도 5는 도 1의 제조 장치에 있어서 막·촉매층 접합체가 제조되는 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 6은 제1 프레스 롤러에 의해서 백시트를 박리하여 전해질막을 흡착 롤러에 흡착시키는 양태를 나타내는 도면이다.
도 7은 전해질막에 전극 잉크가 간헐 도공된 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 전극 잉크가 간헐 도공된 전해질막의 단면도이다.
도 9는 촉매층이 형성된 전해질막의 단면도이다.
도 10은 제2 프레스 롤러 및 제3 프레스 롤러에 의해서 전해질막에 지지 필름이 붙여지는 양태를 나타내는 도면이다.
도 11은 제2 실시형태의 복합막의 제조 장치의 측면도이다.
도 12는 제2 실시형태에서 전해질막 권출 롤러로부터 권출된 백시트가 부착된 전해질막의 단면도이다.
도 13은 촉매층에 대응하는 반대면에 전극 잉크가 간헐 도공된 전해질막의 단면도이다.
도 14는 양면에 촉매층이 형성된 전해질막의 단면도이다.
도 15는 지지 필름이 접합된 전해질막의 단면도이다.
도 16은 제3 실시형태의 복합막의 제조 장치의 측면도이다.
도 17은 제1면에 촉매층이 적층된 전해질막의 제2면에 지지 필름이 접합된 전해질막의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<1. 제1 실시형태>
도 1은, 본 발명에 따른 복합막의 제조 장치(1)의 전체 개략 구성을 나타내는 사시도이다. 또, 도 2는, 도 1의 제조 장치(1)의 측면도이다. 이 복합막의 제조 장치(1)는, 띠형상의 박막인 전해질막(2)의 표면에 전극 잉크(전극 페이스트)를 도공하고, 그 전극 잉크를 건조시켜 전해질막(2) 상에 기능층으로서 촉매층(전극)을 형성하여 고체 고분자형 연료 전지용 막·촉매층 접합체(5)를 제조하는 장치이다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에는, 그들의 방향 관계를 명확하게 하기 위해 Z축방향을 연직 방향으로 하고, XY평면을 수평면으로 하는 XYZ 직교좌표계를 적절히 부여하고 있다. 또, 도 1 및 이후의 각 도면에서는, 용이한 이해를 위해서, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장하거나 또는 간략화하여 그리고 있다.
제조 장치(1)는, 주된 요소로서, 전해질막(2)으로부터 백시트(6)를 박리하는 박리부(10)와, 전해질막(2)을 흡착 지지하여 반송하는 흡착 롤러(20)와, 전해질막(2)의 표면에 전극 잉크를 도공하는 도공 노즐(30)과, 도공된 전극 잉크를 가열하여 건조시키는 건조로(40)와, 건조 공정을 거친 전해질막(2)에 지지 필름을 접합하는 접합부(50)를 구비한다.
박리부(10)는 제1 프레스 롤러(11)(제3 롤러)를 구비한다. 또, 제조 장치(1)는, 전해질막 권출 롤러(12), 보조 롤러(13) 및 백시트 권취 롤러(14)를 구비한다. 전해질막 권출 롤러(12)는, 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)이 감겨 있으며, 그 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)을 연속적으로 송출한다.
전해질막(2)으로는, 종래부터 고체 고분자형 연료 전지의 막·촉매층 접합체 용도로 이용되고 있는 불소계나 탄화수소계 등의 고분자 전해질막을 사용할 수 있다. 예를 들면, 전해질막(2)으로서, 퍼플루오로카본술폰산을 포함하는 고분자 전해질막(예를 들면, 미국 DuPont사 제조의 Nafion(등록상표), 아사히글라스(주) 제조의 Flemion(등록상표), 아사히카세이(주) 제조의 Aciplex(등록상표), 고어(Gore) 사 제조의 Goreselect(등록상표) 등)을 사용할 수 있다.
상기 전해질막(2)은, 매우 얇아서 기계적 강도가 약하고, 대기중의 소량의 습기에 의해서도 쉽게 팽윤하는 한편, 습도가 낮아지면 수축하는 특성을 갖고 있어, 매우 변형되기 쉽다. 이 때문에, 전해질막 권출 롤러(12)에는, 전해질막(2)의 변형을 방지하기 위해서 초기 상태로서 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)이 감겨 있다. 백시트(6)로는, 기계적인 강도가 뛰어나 형상 유지 기능이 뛰어난 수지 재료, 예를 들면 PEN(폴리에틸렌나프탈레이트)나 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)의 필름을 이용할 수 있다.
전해질막 권출 롤러(12)에 감긴 초기 상태의 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)에 있어서, 전해질막(2)의 막 두께는 5μm~30μm이며, 폭은 최대 300mm 정도이다. 또, 백시트(6)의 막 두께는 25μm~100μm이며, 그 폭은 전해질막(2)의 폭과 동등하거나 그것보다 약간 크다. 제1 실시형태에서는, 전해질막(2)의 제1면에 백시트(6)가 접합되어 있다.
전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출된 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)은, 보조 롤러(13)에 현가되고, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 흡착 롤러(20)에 눌러진다. 제1 프레스 롤러(11)는, 도시를 생략하는 실린더에 의해서 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 소정의 간격을 둔 위치에 근접 지지되고 있다. 제1 프레스 롤러(11)와 흡착 롤러(20)의 외주면의 간격은, 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)의 두께보다도 작다. 따라서, 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)이 제1 프레스 롤러(11)와 흡착 롤러(20) 사이를 통과할 때에, 전해질막(2)의 제2면이 흡착 롤러(20)에 눌러진다. 제1 프레스 롤러(11)가 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 누르는 힘은, 상기 실린더에 의해서 제1 프레스 롤러(11)와 흡착 롤러(20)의 간격을 조정함으로써 제어된다.
제1 프레스 롤러(11)가 전해질막(2)의 제2면을 흡착 롤러(20)에 누름으로써, 전해질막(2)은 흡착 롤러(20)의 외주면에 흡착된다. 이 때, 백시트(6)는 전해질막(2)의 제1면으로부터 박리되고, 백시트 권취 롤러(14)에 권취된다. 즉, 박리부(10)의 제1 프레스 롤러(11)는, 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)으로부터 백시트(6)를 박리함과 더불어, 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 눌러 흡착시키는 역할을 담당하고 있다. 백시트 권취 롤러(14)는, 도시 생략한 모터에 의해서 연속적으로 회전됨으로써, 백시트(6)를 연속적으로 권취함과 더불어, 전해질막 권출 롤러(12)로부터 보조 롤러(13)를 거쳐 제1 프레스 롤러(11)에 이르는 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)에 일정한 장력을 부여한다.
흡착 롤러(20)는, 중심축이 Y축방향을 따르도록 설치된 원주 형상의 부재이다. 흡착 롤러(20)의 크기는, 예를 들면, 높이(Y축방향의 길이)가 400mm이며, 직경이 400mm~1600mm이다. 흡착 롤러(20)는, 도시 생략한 모터에 의해서 Y축방향을 따른 중심축을 회전 중심으로 하여 도 2 중 화살표 AR2로 나타내는 방향으로 회전된다.
흡착 롤러(20)는, 다공질 카본 또는 다공질 세라믹스로 형성된 다공질 롤러이다. 다공질 세라믹스로는, 예를 들면 알루미나(Al2O3) 또는 탄화규소(SiC)의 소결체를 이용할 수 있다. 다공질의 흡착 롤러(20)에 있어서의 기공 직경은 5μm 이하이며, 기공률은 15%~50%의 범위 내이다. 또, 흡착 롤러(20)의 외주면(원기둥의 둘레면)의 표면 조도는, Rz(최대 높이)가 5μm 이하이며, 이 값은 작을수록 바람직하다. 또한, 회전시의 흡착 롤러(20)의 전체 흔들림(회전축에서부터 외주면까지의 거리의 변동)은 10μm 이하로 되어 있다.
도 3은, 흡착 롤러(20) 및 건조로(40)의 구성을 나타내는 도면이다. 흡착 롤러(20)의 상면 및/또는 바닥면에는 흡인구(21)가 설치되어 있다. 흡인구(21)는, 도면 밖의 흡인 기구(예를 들면, 배기 펌프)에 의해서 흡인되어 부압이 부여된다. 흡착 롤러(20)는, 기공률이 15%~50%인 다공질이기 때문에, 흡인구(21)에 부압이 부여되면, 내부의 기공을 통해 흡착 롤러(20)의 외주면에도 소정치의 부압(주변 분위기로부터 외주면에 흡인하는 압력)이 균일하게 작용하게 된다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 흡인구(21)에 90kPa 이상의 부압이 부여됨으로써, 흡착 롤러(20)의 외주면에는 10kPa 이상의 부압이 균일하게 작용하게 된다. 이에 의해, 흡착 롤러(20)는, 전해질막(2)을 폭방향(Y축방향)의 전역에 걸쳐서 균등하게 흡착할 수 있다.
또, 흡착 롤러(20)에는, 복수의 수랭관(22)이 설치되어 있다. 수랭관(22)은, 흡착 롤러(20)의 내부를 순환하도록 균일한 설치 밀도로 설치되어 있다. 수랭관(22)에는 도면 밖의 급수 기구로부터 소정 온도로 온도 조절된 항온수가 공급된다. 수랭관(22)의 내부를 흐른 항온수는 도면 밖의 배액 기구로 배출된다. 수랭관(22)에 항온수를 흘림으로써, 흡착 롤러(20)는 냉각되게 된다.
도 1, 2로 돌아와서, 흡착 롤러(20)의 외주면에 대향하여 도공 노즐(30)이 설치되어 있다. 도공 노즐(30)은, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향에 있어서, 제1 프레스 롤러(11)보다도 하류측에 설치되어 있다. 도공 노즐(30)은, 선단((+X)측의 단부)에 슬릿형상의 토출구를 구비한 슬릿 노즐이다. 그 슬릿형상의 토출구의 길이 방향은 Y축방향이다. 도공 노즐(30)은, 슬릿형상의 토출구가 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 소정 간격을 두는 위치에 설치되어 있다. 또, 도공 노즐(30)은, 도시하지 않는 구동 기구에 의해서 흡착 롤러(20)에 대한 위치 및 자세가 조정 가능하게 설치되어 있다.
도공 노즐(30)에는, 도공액 공급 기구(35)로부터 도공액으로서 전극 잉크가 공급된다. 본 실시형태에서 사용되는 전극 잉크는, 예를 들면, 촉매 입자, 이온 전도성 전해질 및 분산매를 함유한다. 촉매 입자로는, 공지 또는 시판의 것을 사용할 수 있으며, 고분자형 연료 전지의 애노드 또는 캐소드에 있어서의 연료 전지 반응을 일으키게 하는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 백금(Pt), 백금 합금, 백금 화합물 등을 이용할 수 있다. 이 중 백금 합금으로는, 예를 들면, 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 철(Fe) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속과 백금의 합금을 들 수 있다. 일반적으로는, 캐소드용 전극 잉크의 촉매 입자에는 백금, 애노드용 전극 잉크의 촉매 입자에는 상술한 백금 합금이 이용된다.
또, 촉매 입자는, 촉매 미립자가 탄소분에 담지된, 소위 촉매 담지 탄소분이어도 된다. 촉매 담지 탄소의 평균 입자 직경은, 통상 10nm~100nm 정도, 바람직하게는 20nm~80nm 정도, 가장 바람직하게는 40nm~50nm 정도이다. 촉매 미립자를 담지하는 탄소분은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 램프 블랙 등의 카본 블랙, 흑연, 활성탄, 카본 섬유, 카본 나노 튜브 등을 들 수 있다. 이들은, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상 병용해도 된다.
상기와 같은 촉매 입자에 용매를 추가해 슬릿 노즐로부터 도포 가능한 페이스트로 한다. 용매로는, 물, 에탄올, n-프로판올 및 n-부탄올 등의 알코올계, 및, 에테르계, 에스테르계 및 불소계 등의 유기용제를 이용할 수 있다.
또한, 용매중에 촉매 입자를 분산시킨 용액에 이온 교환기를 갖는 고분자 전해질 용액을 추가한다. 일례로, 백금을 50wt% 담지한 카본 블랙(다나카 귀금속 공업(주) 제조의 「TEC10E50E」)을 물, 에탄올, 프로필렌글리콜 및 고분자 전해질 용액(미국 DuPont사 제조의 Nafion액 「D2020」)에 분산시켜 전극 잉크를 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 혼합된 페이스트를 전극 잉크로서 도공액 공급 기구(35)로부터 도공 노즐(30)에 공급한다.
도공액 공급 기구(35)는, 상술한 바와 같은 전극 잉크를 저류하는 탱크, 상기 탱크와 도공 노즐(30)을 연통 접속하는 공급 배관, 및, 상기 공급 배관에 설치된 개폐 밸브 등을 갖는다. 도공액 공급 기구(35)는, 개폐 밸브를 계속 개방함으로써 도공 노즐(30)에 연속하여 전극 잉크를 공급하는 것도 가능하며, 개폐 밸브를 반복 개폐함으로써 도공 노즐(30)에 단속적으로 전극 잉크를 공급하는 것도 가능하다.
도공액 공급 기구(35)로부터 공급된 전극 잉크는, 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되어 반송되는 전해질막(2)의 제1면에 도공 노즐(30)로부터 도공된다. 도공액 공급 기구(35)가 연속해서 전극 잉크를 공급하는 경우에는 전해질막(2)에 전극 잉크가 연속적으로 도공되고, 단속적으로 전극 잉크를 공급하는 경우에는 전해질막(2)에 전극 잉크가 간헐 도공된다.
건조로(40)는, 흡착 롤러(20)의 외주면의 일부를 덮도록 설치되어 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 건조로(40)는, 3개의 건조 존(41, 42, 43), 및, 2개의 열 차단 존(44, 45)의 합계 5개의 존으로 분할되어 있다. 3개의 건조 존(41, 42, 43)의 각각은, 도시하지 않은 열풍 송풍부로부터의 열풍 송풍에 의해, 흡착 롤러(20)의 외주면을 향해 열풍을 내뿜는다. 건조로(40)로부터 열풍을 내뿜음으로써, 전해질막(2)의 제1면에 도공된 전극 잉크가 건조된다.
3개의 건조 존(41, 42, 43)은, 내뿜는 열풍의 온도가 상이하다. 3개의 건조 존(41, 42, 43)이 내뿜는 열풍의 온도는, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해(도 3의 지면 상에서 시계 방향으로) 순차적으로 높아진다. 예를 들면, 가장 상류측에 있는 건조 존(41)의 열풍 온도는 실온~40℃이며, 중간에 있는 건조 존(42)의 열풍 온도는 40℃~80℃이며, 가장 하류측에 있는 건조 존(43)의 열풍 온도는 50℃~100℃이다.
2개의 열 차단 존(44, 45)은, 전해질막(2)의 반송 방향을 따라서 건조 존(41, 42, 43)의 양단에 설치되어 있다. 열 차단 존(44)은 건조 존(41)의 상류측에 설치되고, 열 차단 존(45)은 건조 존(43)의 하류측에 설치되어 있다. 2개의 열 차단 존(44, 45)은, 도시하지 않은 배기부로부터의 배기에 의해, 흡착 롤러(20)의 외주면 근방의 분위기를 흡인한다. 이에 의해서, 건조 존(41, 42, 43)으로부터 내뿜어진 열풍이 건조로(40)를 넘어 흡착 롤러(20)의 상류측 및 하류측으로 흘러나오는 것을 방지함과 더불어, 건조시에 전극 잉크로부터 발생한 용매 증기 등이 건조로(40)의 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 적어도 상류측의 열 차단 존(44)이 설치되어 있으면, 건조 존(41, 42, 43)으로부터 내뿜어진 열풍이 도공 노즐(30)에 흘러들어가 토출구 근방을 건조시키는 것에 기인한 도공 불량의 발생을 방지할 수 있다.
도 4는, 흡착 롤러(20) 및 건조로(40)의 정면도이다. 건조로(40)에는, 흡착 롤러(20)의 폭방향(Y축방향)을 따른 양단에도 흡인부(46, 47)가 설치되어 있다. 흡인부(46, 47)는, 열 차단 존(44, 45)과 동일하게, 주변의 분위기를 흡인한다. 이에 의해서, 건조로(40)의 폭방향 양단으로부터 누출되려고 하는 열풍 및 용매 증기 등도 흡인 회수할 수 있다.
도 1, 2로 돌아와서, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향을 따라서 건조로(40)보다도 하류측에 접합부(50)가 설치되어 있다. 접합부(50)는, 제2 프레스 롤러(51)(제1 롤러) 및 제3 프레스 롤러(52)(제2 롤러)를 구비한다. 제2 프레스 롤러(51)는, 도시를 생략하는 실린더에 의해서 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 소정의 간격을 둔 위치에 근접 지지되고 있다. 제2 프레스 롤러(51)와 흡착 롤러(20)의 외주면의 간격은, 건조 처리 후의 전해질막(2)의 두께(전해질막(2)과 촉매층의 합계 두께)보다도 작다. 따라서, 건조 처리 후의 전해질막(2)이 제2 프레스 롤러(51)와 흡착 롤러(20) 사이를 통과할 때에, 촉매층을 포함하는 전해질막(2)의 제1면이 제2 프레스 롤러(51)에 눌러진다.
제3 프레스 롤러(52)는, 도시를 생략하는 실린더에 의해서 제2 프레스 롤러(51)로부터 소정의 간격을 둔 위치에 근접 지지되고 있다. 제3 프레스 롤러(52)와 제2 프레스 롤러(51)의 간격은, 전해질막(2)과 촉매층의 합계의 두께에 후술하는 지지 필름(7)의 두께를 더 더한 값보다도 작다. 또한, 제1 프레스 롤러(11), 제2 프레스 롤러(51) 및 제3 프레스 롤러(52)는, 흡착 롤러(20)와 동일한 정도의 폭을 갖는 금속 롤러여도 되고, 수지제의 롤러여도 된다. 또, 제1 프레스 롤러(11), 제2 프레스 롤러(51) 및 제3 프레스 롤러(52)의 직경은 적절한 것으로 할 수 있다.
제조 장치(1)에는, 또한 지지 필름 권출 롤러(55) 및 접합체 권취 롤러(56)가 설치되어 있다. 지지 필름 권출 롤러(55)는 지지 필름(7)이 감겨 있으며, 그 지지 필름(7)을 연속적으로 송출한다. 지지 필름(7)으로는, 기계적인 강도가 뛰어나 형상 유지 기능이 뛰어난 수지 필름, 예를 들면 PEN(폴리에틸렌나프탈레이트)나 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)의 필름을 이용할 수 있다. 즉, 지지 필름(7)은 백시트(6)와 같은 것이어도 되고, 박리부(10)가 박리하여 백시트 권취 롤러(14)에 의해서 권취된 백시트(6)를 지지 필름(7)으로서 지지 필름 권출 롤러(55)로부터 송출하도록 해도 된다. 또, 지지 필름(7)은, 상기 수지 필름의 편면(전해질막(2)과의 접합면)에 점착제를 도포한 편면 미(微)점착 필름이어도 된다.
지지 필름 권출 롤러(55)로부터 송출된 지지 필름(7)은, 제3 프레스 롤러(52)에 현가된다. 한편, 건조 처리 후의 촉매층이 형성된 전해질막(2)은, 제2 프레스 롤러(51)에 의해서 흡착 롤러(20)로부터 박리되어 제2 프레스 롤러(51)에 현가된다. 그리고, 제2 프레스 롤러(51) 및 제3 프레스 롤러(52)에 의해서, 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 눌러져 접합된다. 이 공정을 거쳐 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 제조된다.
지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)는, 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취된다. 접합체 권취 롤러(56)는, 막·촉매층 접합체(5)를 권취함과 더불어, 흡착 롤러(20)로부터 떨어져나가 제2 프레스 롤러(51)에 현가된 전해질막(2)에 일정한 장력을 부여한다. 제조 장치(1)는, 접합부(50)와 접합체 권취 롤러(56) 사이에 추가 건조로(49)를 구비한다. 접합부(50)에서 지지 필름(7)이 접합된 막·촉매층 접합체(5)는, 추가 건조로(49)를 통과하고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취된다. 추가 건조로(49)로는, 공지의 열풍 건조로를 이용할 수 있다. 추가 건조로(49)의 내부를 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 통과함으로써, 촉매층의 마무리 건조가 행해진다.
또, 제조 장치(1)는, 에어 분출부(60)를 구비한다. 에어 분출부(60)는, 접합부(50)와 박리부(10) 사이에 설치되어 있다. 에어 분출부(60)는, 흡착 롤러(20)를 향해 에어를 분출하는 기구와, 주변의 분위기를 흡인하는 기구를 구비하고 있다. 에어 분출부(60)가 분출하는 에어는, 예를 들면 5℃ 정도로 냉각되고 있다. 또한, 에어 분출부(60)는, 접합부(50)와 박리부(10) 사이에 설치되어 있기 때문에, 전해질막(2)이 흡착되어 있지 않은 흡착 롤러(20)의 외주면에 에어를 분출한다.
에어 분출부(60)가 흡착 롤러(20)에 냉각된 에어를 분출함으로써, 흡착 롤러(20)의 외주면이 냉각된다. 또, 에어 분출부(60)가 흡착 롤러(20)에 에어를 분출함과 더불어, 주변 분위기를 흡인함으로써, 흡착 롤러(20)의 외주면에 부착된 이물을 제거할 수 있다.
또한, 제조 장치(1)는, 장치에 설치된 각 기구를 제어하는 제어부(90)를 구비한다. 제어부(90)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(90)는, 각종 연산 처리를 행하는 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 독출 전용 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기가 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하여 구성된다. 제어부(90)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써, 제조 장치(1)에 설치된 각 동작 기구가 제어되어 막·촉매층 접합체(5)의 제조 처리가 진행된다.
다음에, 상기 구성을 갖는 복합막의 제조 장치(1)에 있어서의 처리 순서에 대해서 설명한다. 도 5는, 제조 장치(1)에 있어서 막·촉매층 접합체(5)가 제조되는 순서를 나타내는 플로차트이다. 이하에 설명하는 막·촉매층 접합체(5)의 제조 순서는, 제어부(90)가 제조 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 전해질막 권출 롤러(12)가 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)을 권출한다(단계 S1). 상술한 바와 같이, 고체 고분자형 연료 전지 용도의 전해질막(2)은 대기중에 포함되는 소량의 습기에 의해서도 매우 쉽게 변형되므로, 전해질막(2)의 제조시에 권취되는 단계에서 형상 유지를 위한 띠형상의 수지 필름인 백시트(6)가 접합된 상태로 되어 있다. 백시트(6)는 전해질막(2)의 제1면에 접합되어 있다. 전해질막 권출 롤러(12)로부터 연속적으로 인출된 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)은, 보조 롤러(13)에 현가되고, 박리부(10)의 제1 프레스 롤러(11)로 송출된다.
박리부(10)에서는, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)의 제2면을 흡착 롤러(20)에 누름으로써, 백시트(6)를 박리하여 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 흡착 지지시킨다(단계 S2). 환언하면, 제1 프레스 롤러(11)는, 흡착 롤러(20)에 전해질막(2)의 제2면이 흡착된 상태로 백시트(6)를 박리한다. 도 6은, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 백시트(6)를 박리하여 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 흡착시키는 양태를 나타내는 도면이다. 제1 프레스 롤러(11)와 흡착 롤러(20) 사이에서 백시트(6)가 전해질막(2)으로부터 박리되고, 전해질막(2)은 흡착 롤러(20)에 흡착된다.
제1 프레스 롤러(11)는, 강도가 약한 전해질막(2)을 변형시키지 않고 흡착 롤러(20)의 외주면에 확실하게 흡착시킬 수 있는 범위의 힘으로 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 누르고 있다. 단, 제1 프레스 롤러(11)는, 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 소정의 간격을 두고 근접하도록 설치되어 있다. 제1 프레스 롤러(11)가 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 누르는 힘은, 상기 간격에 의해서 조정된다.
흡착 롤러(20)는, 전해질막(2)의 제2면을 흡착한다. 기공률이 15%~50%인 다공질 세라믹스로 형성된 흡착 롤러(20)의 흡인구(21)에 90kPa 이상의 부압을 부여함으로써, 전해질막(2)을 흡착하고 있는지 아닌지에 관계없이, 흡착 롤러(20)의 외주면에는 10kPa 이상의 부압이 균일하게 작용한다. 따라서, 전해질막(2)의 폭의 크고 작음에 관계없이, 흡착 롤러(20)는 전해질막(2)을 일정한 흡인압으로 안정적으로 흡착 지지할 수 있다. 또, 흡착 롤러(20)의 흡착에 의한 전해질막(2)의 변형도 억제할 수 있다.
또, 흡착 롤러(20)의 외주면의 표면 조도는, Rz가 5μm 이하임과 더불어, 흡착 롤러(20)의 기공 직경은 5μm 이하이므로, 전해질막(2)에는 흡착 지지에 따른 흡착 흠은 생기기 어렵다. 즉, 본 실시형태의 흡착 롤러(20)는, 취약한 기계적 성질을 갖는 전해질막(2)을 변형시키거나 흡착 흠을 생기게 하지 않고 안정적으로 흡착 지지할 수 있는 것이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 전해질막(2)을 흡착 지지한 흡착 롤러(20)가 Y축방향을 따른 중심축을 회전 중심으로 하여 회전함으로써, 백시트(6)가 박리된 전해질막(2)이 흡착 롤러(20)의 외주면에 지지되어 반송된다. 한편, 전해질막(2)으로부터 박리된 백시트(6)는, 백시트 권취 롤러(14)에 의해서 권취된다.
다음에, 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되어 반송되는 전해질막(2)의 제1면에는, 도공 노즐(30)로부터 전극 잉크가 도공된다(단계 S3). 고체 고분자형 연료 전지의 전해질막(2)에 도공하는 전극 잉크는, 예를 들면, 백금이나 백금 합금 등의 촉매 입자, 이온 전도성 전해질 및 분산매를 함유한다. 도공하는 전극 잉크는, 캐소드용이어도 되고 애노드용이어도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 도공액 공급 기구(35)가 전극 잉크를 단속적으로 도공 노즐(30)에 공급함으로써, 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되어 반송되는 전해질막(2)의 제1면에 도공 노즐(30)로부터 간헐 도공을 행하고 있다. 도 7은, 전해질막(2)에 전극 잉크가 간헐 도공된 상태를 나타내는 도면이다. 또, 도 8은, 전극 잉크가 간헐 도공된 전해질막(2)의 단면도이다. 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되어 일정 속도로 반송되는 전해질막(2)에 도공 노즐(30)로부터 전극 잉크를 단속적으로 토출함으로써, 도 7, 8에 나타낸 바와 같이, 전해질막(2)의 제1면에는 일정 사이즈의 전극 잉크층(8)이 일정 간격으로 불연속적으로 형성된다.
회전시의 흡착 롤러(20)의 전체 흔들림은 10μm 이하이며, 흡착 롤러(20)의 외주면의 표면 조도는, Rz가 5μm 이하이므로, 회전하는 흡착 롤러(20)의 외주면과 도공 노즐(30)의 슬릿형상 토출구의 간격은 거의 일정치로 안정되어 있다. 이로써, 도공 노즐(30)로부터의 간헐 도공에 의해서 높은 정밀도로 균일한 전극 잉크층(8)을 형성할 수 있다.
전해질막(2)의 제1면에 형성되는 각 전극 잉크층(8)의 폭은, 도공 노즐(30)의 슬릿형상 토출구의 폭에 의해서 규정된다. 각 전극 잉크층(8)의 길이는, 도공 노즐(30)의 전극 잉크 토출 시간과 전해질막(2)의 반송 속도(즉, 흡착 롤러(20)의 회전 속도)에 의해서 규정된다. 또, 전극 잉크층(8)의 두께(높이)는, 도공 노즐(30)의 토출구와 전해질막(2)의 제1면의 거리 및 전극 잉크의 토출 유량과 전해질막(2)의 반송 속도에 의해서 규정되며, 예를 들면 10μm~300μm이다. 전극 잉크는 도공 노즐(30)로부터 도공 가능한 페이스트이며, 전해질막(2) 상에서 전극 잉크층(8)의 형상을 유지할 수 있는 정도의 점성을 갖고 있다.
그 다음에, 흡착 롤러(20)의 회전에 의해서, 전극 잉크층(8)이 건조로(40)에 대향하는 위치로까지 반송되고, 전극 잉크층(8)의 건조 처리가 행해진다(단계 S4). 전극 잉크층(8)의 건조 처리는, 건조로(40)로부터 전극 잉크층(8)에 열풍을 내뿜음으로써 행해진다. 열풍이 내뿜어짐으로써 전극 잉크층(8)이 가열되어 용매 성분이 휘발되어, 전극 잉크층(8)이 건조된다. 용매 성분이 휘발됨으로써 전극 잉크층(8)이 건조되어 촉매층(9)이 된다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 추가 건조로(49)를 설치하여 최종의 마무리 건조를 행하므로, 건조로(40)에서는 촉매층(9)으로부터 잉크가 제2 프레스 롤러(51)에 부착되지 않을 정도로까지 건조시켜 두면 된다.
도 9는, 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 단면도이다. 촉매층(9)은, 백금 등의 촉매 입자가 담지된 전극층이다. 촉매층(9)은, 전극 잉크층(8)으로부터 용매 성분이 휘발되어 고화한 것이기 때문에, 그 두께는 전극 잉크층(8)보다도 얇다. 건조 후의 촉매층(9)의 두께는, 예를 들면 3μm~50μm이다.
또, 건조로(40)는, 3개의 건조 존(41, 42, 43)을 구비하고 있으며, 그들로부터는 상이한 온도의 열풍이 내뿜어진다. 구체적으로는, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향의 가장 상류측에 위치하는 건조 존(41)으로부터 중간의 건조 존(42)을 거쳐 가장 하류측의 건조 존(43)의 순서로 열풍 온도가 높아진다. 건조 존을 분할하지 않고, 도공 직후의 전극 잉크층(8)에 바로 고온의 열풍을 내뿜으면, 전극 잉크층(8)이 급격하게 건조되어 표면에 크랙이 발생하는 경우가 있다. 혹은, 흡착 롤러(20)에 히터를 내장해 도공 직후의 전극 잉크층(8)을 급격하게 건조한 경우도 마찬가지이다.
본 실시형태에서는, 건조로(40)를 3개의 건조 존(41, 42, 43)으로 분할하고, 전해질막(2)의 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 건조 온도를 순차적으로 높게 하고 있다. 즉, 가장 상류측의 건조 존(41)은, 도공 직후의 전극 잉크층(8)에 비교적 저온의 열풍을 내뿜음으로써, 전극 잉크층(8)을 약간 승온시킨다. 다음에, 중간의 건조 존(42)이 약간 고온의 열풍을 내뿜음으로써, 전극 잉크층(8)을 천천히 건조시킨다. 그리고, 가장 하류측의 건조 존(43)이 고온의 열풍을 내뿜음으로써, 전극 잉크층(8)을 강하게 건조시킨다. 이와 같이, 건조 온도를 서서히 높게 하여 전극 잉크층(8)을 단계적으로 건조시킴으로써, 건조 처리시의 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
크랙의 발생을 방지하면서 전극 잉크층(8)을 적절하게 건조시키기 위해서는, 건조 처리 시간도 적절히 관리할 필요가 있으며, 예를 들면 약 60초로 하는 것이 바람직하다. 건조 처리 시간은, 1개의 전극 잉크층(8)이 3개의 건조 존(41, 42, 43)을 통과하는 합계 시간이다. 예를 들면, 흡착 롤러(20)의 직경이 400mm이고 3개의 건조 존(41, 42, 43)이 흡착 롤러(20)의 외주면의 반둘레를 덮고 있었다고 하면, 그 길이는 약 628mm가 된다. 이 조건으로 건조 처리 시간으로서 60초를 확보하기 위해서는, 전해질막(2)의 반송 속도를 10.4mm/초로 하면 된다. 전해질막(2)의 반송 속도는 흡착 롤러(20)의 회전 속도에 의해서 규정된다.
또, 건조로(40)는, 전해질막(2)의 반송 방향을 따라서 가장 상류측에 열 차단 존(44)을 구비하고, 가장 하류측에 열 차단 존(45)을 구비하고 있다. 이에 의해, 건조 존(41, 42, 43)으로부터 내뿜어진 열풍이 건조로(40)를 넘어 흡착 롤러(20)의 상류측 및 하류측으로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 건조로(40)의 상류측에 위치하는 도공 노즐(30)이나 하류측에 위치하는 접합부(50)가 불필요하게 가열되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 건조로(40)에는, 열 차단 존(44, 45)에 추가해 흡인부(46, 47)도 설치되어 있으며, 이들에 의해서 건조로(40)의 주위에 열풍이 흘러나오는 것을 방지함과 더불어, 건조시에 전극 잉크층(8)으로부터 휘발된 용매의 증기 등이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 흡착 롤러(20)가 더욱 회전함으로써, 건조 후의 촉매층(9)이 접합부(50)에 도달한다. 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)이 접합부(50)에 도달하면, 전해질막(2)은 흡착 롤러(20)로부터 박리되어 제2 프레스 롤러(51)에 의해서 현가된다. 즉, 전해질막(2)의 제2면이 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 박리됨과 더불어, 전해질막(2)의 제1면이 제2 프레스 롤러(51)의 외주면에 의해서 접촉 지지되는 것이다(단계 S5). 이 때에는, 전해질막(2)에 형성된 촉매층(9)이 제2 프레스 롤러(51)에 접촉하게 된다. 한편, 지지 필름 권출 롤러(55)로부터 송출된 지지 필름(7)은, 제3 프레스 롤러(52)에 현가된다.
제2 프레스 롤러(51)와 제3 프레스 롤러(52)는, 소정의 간격을 두고 설치되어 있으며, 그 간격은 전해질막(2)과 촉매층(9)과 지지 필름(7)의 합계 두께보다도 작다. 따라서, 전해질막(2) 및 지지 필름(7)이 제2 프레스 롤러(51)와 제3 프레스 롤러(52) 사이를 통과할 때에, 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 눌러져 접합된다(단계 S6).
도 10은, 제2 프레스 롤러(51) 및 제3 프레스 롤러(52)에 의해서 전해질막(2)에 지지 필름(7)이 접합되는 양태를 나타내는 도면이다. 제2 프레스 롤러(51)에 감겨진 전해질막(2)의 제2면과, 제3 프레스 롤러(52)에 감겨진 지지 필름(7)이 접촉한다. 이 때, 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 눌러지는 힘은, 제2 프레스 롤러(51)와 제3 프레스 롤러(52)의 간격에 의해서 규정된다. 전해질막(2)은 표면에 다소의 점착성을 갖고 있으므로, 지지 필름(7)이 PEN 등의 수지 필름이어도, 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)을 누름으로써 지지 필름(7)을 접합할 수 있다. 지지 필름(7)이 편면에 점착제를 도포한 편면 미점착 필름이면, 보다 확실하게 지지 필름(7)을 전해질막(2)에 접합할 수 있다.
전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)을 접합합으로써, 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 제조된다. 이 막·촉매층 접합체(5)는, 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취됨으로써 반송된다. 이 과정에서, 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)는 추가 건조로(49)의 내부를 통과한다. 이에 의해, 촉매층(9)의 최종의 마무리 건조가 행해진다(단계 S7). 건조로(40)에서 촉매층(9)이 충분히 건조되어 있지 않은 경우에도, 추가 건조로(49)에 의해서 촉매층(9)을 확실하게 건조시킬 수 있다. 추가 건조로(49)를 통과한 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취됨으로써, 일련의 막·촉매층 접합체(5)의 제조 프로세스가 완료된다(단계 S8).
그런데, 상기 제조 장치(1)에 있어서는, 흡착 롤러(20)의 외주면의 일부를 덮도록 건조로(40)를 설치하고, 전극 잉크층(8)의 건조를 위해서 흡착 롤러(20)의 외주면에 열풍을 내뿜고 있다. 이 때문에, 다공질 세라믹스로 형성된 흡착 롤러(20)가 서서히 축열하여 승온한다. 흡착 롤러(20)가 소정치를 넘어 고온이 되면, 도공 노즐(30)로부터 전해질막(2)에 도공된 전극 잉크가 즉시 가열되어 급격하게 건조되고, 전극 잉크층(8)의 표면에 크랙이 생길 우려가 있다.
이 때문에, 흡착 롤러(20)에 복수의 수랭관(22)을 설치하고(도 3), 그 수랭관(22)에 항온수를 흘림으로써 흡착 롤러(20)를 냉각하여 소정치 이상으로 승온되는 것을 방지하고 있다. 단, 다공질 세라믹스로 형성된 흡착 롤러(20)는 열전도도가 낮은 경우도 있으며, 또한, 건조로(40)는 흡착 롤러(20)의 외주면에 열풍을 내뿜기 때문에, 상기 외주면의 온도 상승을 충분히 억제할 수 없는 경우도 있을 수 있다.
이러한 경우에도, 에어 분출부(60)(도 2)로부터 흡착 롤러(20)의 외주면을 향해 냉각 에어를 내뿜음으로써, 건조로(40)로부터의 열풍에 의해 축열된 흡착 롤러(20)의 외주면을 냉각하여 제열할 수 있다. 이에 의해, 도공 노즐(30)로부터 전해질막(2)에 도공된 전극 잉크가 즉시 가열되는 것을 방지할 수 있다. 또, 에어 분출부(60)가 흡착 롤러(20)에 에어를 분출함과 더불어, 주변 분위기를 흡인함으로써, 흡착 롤러(20)의 외주면에 부착된 이물을 제거할 수 있다.
제1 실시형태에 있어서는, 전해질막 권출 롤러(12)로부터 백시트(6)가 부착된 채로 전해질막(2)이 송출되고, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 전해질막(2)의 제2면을 흡착 롤러(20)에 흡착시킨 상태로 백시트(6)를 박리하고 있다. 그리고, 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 흡착 지지한 상태로 반송하면서, 전해질막(2)의 제1면에 전극 잉크를 도공하여 전극 잉크층(8)을 형성하고, 거기에 열풍을 내뿜어 건조시켜 촉매층(9)으로 하고 있다. 그 후, 흡착 롤러(20)에 근접 배치된 제2 프레스 롤러(51)의 외주면이 전해질막(2)의 제1면에 접촉하여 지지한 상태로 상기 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)을 접합하고 있다.
따라서, 전해질막 권출 롤러(12)로부터 흡착 롤러(20)를 거쳐 접합체 권취 롤러(56)에 이르기까지 롤·투·롤(roll-to-roll)로 반송되는 전해질막(2)은, 항상 어떠한 부재에 의해서 연속적으로 지지되고 있다. 구체적으로는, 초기 단계에서는 전해질막(2)의 제1면이 백시트(6)에 의해서 지지되고, 백시트(6)가 박리될 때에는 전해질막(2)의 제2면이 흡착 롤러(20)의 외주면에 의해서 지지되고, 촉매층(9)의 건조 후에 흡착 롤러(20)로부터 떨어져나갈 때에는 전해질막(2)의 제1면이 제2 프레스 롤러(51)에 의해서 지지되고 있다. 또한, 제2 프레스 롤러(51)의 외주면에 전해질막(2)의 제1면이 접촉 지지된 상태로 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 접합되어 접합체 권취 롤러(56)에 권취된다.
이미 기술한 바와 같이, 제조 장치(1)에서 사용되는 전해질막(2)은, 매우 얇아서 기계적 강도가 약하고, 대기중의 소량의 습기에 의해서도 쉽게 팽윤하는 한편, 습도가 낮아지면 수축된다고 하는 특성을 갖고 있어, 매우 변형되기 쉽다. 어떠한 지지도 하고 있지 않은 전해질막(2)에 전극 잉크를 도포하면, 전극 잉크에 포함되는 용매에 의해서 전해질막(2)이 팽윤하고, 전극 잉크가 건조될 때에는 전해질막(2)도 수축한다. 또, 건조로(40)에서 촉매층(9)이 충분히 건조되어 있지 않은 경우에는, 건조로(40)에서의 건조 처리 후에도 전해질막(2)이 팽윤·수축하는 경우가 있다. 전해질막(2)이 팽윤·수축하면 전해질막(2)에 주름이나 핀홀이 발생할 우려가 있다. 즉, 특히, 용매를 포함하는 전극 잉크가 도공된 이후에, 전해질막(2)의 팽윤·수축이 발생하기 쉬워, 주름이나 핀홀의 발생이 문제가 된다. 전해질막(2)에 이러한 주름이나 핀홀이 발생하면, 연료 전지의 발전 성능을 저하시키는 요인이 된다.
본 실시형태에 있어서는, 전극 잉크를 도공할 때에는 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 의해서 흡착 지지함과 더불어, 그 후에 전해질막(2)이 흡착 롤러(20)로부터 떨어져나간 후에도 제2 프레스 롤러(51) 및 지지 필름(7)에 의해서 전해질막(2)을 연속적으로 지지하고 있다. 따라서, 전극 잉크의 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어, 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 제조 장치(1)에 의해서 제조된 막·촉매층 접합체(5)를 사용한 연료 전지의 발전 성능의 저하를 방지할 수 있다.
또, 제조 장치(1)에서는, 전극 잉크의 도공시 이후뿐만 아니라, 전해질막(2)이 전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출되고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 권취될 때까지 항상 어떠한 부재에 의해서 연속적으로 지지되고 있다. 이 때문에, 막·촉매층 접합체(5)의 일련의 제조 공정의 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어, 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다.
<2. 제2 실시형태>
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 설명한다. 제1 실시형태에서는, 전해질막(2)의 편면에 전극 잉크를 도공하여 촉매층(9)을 형성하고 있었는데, 제2 실시형태에 있어서는, 편면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 반대면에 전극 잉크를 도공하여 촉매층(9)을 형성한다. 전해질막(2)의 양면에 애노드 및 캐소드의 촉매층(9)을 형성함으로써, 고체 고분자형 연료 전지의 막·촉매층 접합체(5)로서 기능하게 된다.
도 11은, 제2 실시형태의 복합막의 제조 장치(1a)의 측면도이다. 동 도면에서, 제1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 있다. 제2 실시형태의 제조 장치(1a)와 제1 실시형태의 제조 장치(1)의 차이점은, 화상 처리 유닛(70)을 구비하고 있는 점이다. 화상 처리 유닛(70)은, 전해질막 권출 롤러(12)와 박리부(10)의 제1 프레스 롤러(11) 사이의 어느 한 위치에 설치되어 있다(제2 실시형태에서는, 보조 롤러(13)와 제1 프레스 롤러(11) 사이). 화상 처리 유닛(70)은, 촬상 카메라 및 화상 데이터 해석 기기를 구비하고 있으며, 전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출되어 박리부(10)를 향해 반송되는 전해질막(2)의 표면을 촬상 카메라로 촬상한다. 화상 처리 유닛(70)은, 촬상 카메라가 촬상하여 얻은 화상 데이터에 소정의 화상 처리를 실시해 전해질막(2) 상에 있어서의 촉매층(9)의 형성 위치를 특정한다. 화상 처리 유닛(70)에 의한 해석 결과는 제어부(90)에 전달된다. 화상 처리 유닛(70)을 제외한 제2 실시형태의 제조 장치(1a)의 잔여의 구성은 제1 실시형태의 제조 장치(1)와 같다.
제2 실시형태의 제조 장치(1a)에 있어서의 처리 절차도 제1 실시형태와 동일하다(도 5 참조). 단, 제2 실시형태에서는, 이미 편면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 반대면에 전극 잉크를 도공한다. 이 때문에, 전해질막 권출 롤러(12)에는, 편면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 반대면에 백시트(6)가 접합된 것이 감겨 있다. 예를 들면, 제1 실시형태에서 제1면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 접합되어 접합체 권취 롤러(56)에 권취된 것을, 그대로 전해질막 권출 롤러(12)로부터 권출하도록 해도 된다. 지지 필름(7)과 백시트(6)는 같은 것이어도 되고, 제1 실시형태에서 제조된 막·촉매층 접합체(5)를 그대로 제2 실시형태에서 전해질막 권출 롤러(12)로부터 권출하는 소재로 하는 것이 가능하다.
도 12는, 전해질막 권출 롤러(12)로부터 권출된 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)의 단면도이다. 전해질막(2)의 제1면에는 단속적으로 촉매층(9)이 형성됨과 더불어, 제2면에 백시트(6)가 접합되어 있다. 전해질막 권출 롤러(12)로부터 연속적으로 인출된 백시트(6)가 부착된 전해질막(2)은, 보조 롤러(13)에 현가되고, 박리부(10)의 제1 프레스 롤러(11)로 송출된다.
전해질막(2)이 전해질막 권출 롤러(12)로부터 박리부(10)로 송출되는 과정에 있어서, 화상 처리 유닛(70)에 의해서 전해질막(2)의 제1면이 촬상되고, 화상 처리에 의해 전해질막(2) 상에 있어서의 촉매층(9)의 형성 위치가 특정된다. 화상 처리 유닛(70)에 의해서 특정된 촉매층(9)의 형성 위치는 제어부(90)에 전달된다. 화상 처리 유닛(70)은, 연속해서 혹은 짧은 주기로 단속적으로 전해질막(2)의 제1면을 촬상하고 있으며, 모든 촉매층(9)에 대해서 그 형성 위치를 특정한다.
박리부(10)에서는, 제1 프레스 롤러(11)에 의해서 전해질막(2)의 제1면을 흡착 롤러(20)에 누름으로써, 제2면으로부터 백시트(6)를 박리하여 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 흡착 지지시킨다. 환언하면, 제1 프레스 롤러(11)는, 흡착 롤러(20)에 전해질막(2)의 제1면이 흡착된 상태로 제2면으로부터 백시트(6)를 박리한다. 제1 실시형태에서 제조된 막·촉매층 접합체(5)를 그대로 제2 실시형태에 사용한 경우에는, 전해질막(2)의 표리가 역방향으로 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되게 된다.
전해질막(2)의 제1면을 흡착 지지한 흡착 롤러(20)가 Y축방향을 따른 중심축을 회전 중심으로 하여 회전함으로써, 백시트(6)가 박리된 전해질막(2)이 흡착 롤러(20)의 외주면에 지지되어 반송된다. 한편, 전해질막(2)으로부터 박리된 백시트(6)는, 백시트 권취 롤러(14)에 의해서 권취된다.
다음에, 흡착 롤러(20)에 흡착 지지되어 반송되는 전해질막(2)의 제2면에는, 도공 노즐(30)로부터 전극 잉크가 도공된다. 제2 실시형태에 있어서는, 전해질막(2)의 제1면에 이미 형성되어 있는 촉매층(9)과 역극성의 전극 잉크를 제2면에 도공한다. 예를 들면, 전해질막(2)의 제1면에 캐소드의 촉매층(9)이 형성되어 있는 경우에는, 애노드용 전극 잉크를 전해질막(2)의 제2면에 도공한다. 반대로, 전해질막(2)의 제1면에 애노드의 촉매층(9)이 형성되어 있는 경우에는, 캐소드용 전극 잉크를 전해질막(2)의 제2면에 도공한다.
또, 제2 실시형태에서는, 화상 처리 유닛(70)에 의한 촉매층(9)의 형성 위치의 특정 결과에 의거해, 그 촉매층(9)의 형성 위치가 대응하는 전해질막(2)의 제2면에 도공 노즐(30)로부터 전극 잉크를 간헐 도공하도록 제어부(90)가 도공 제어를 행한다. 구체적으로는, 전해질막(2)의 반송 방향에 있어서의 위치 맞춤에 대해서는, 제어부(90)가 도공 노즐(30)로부터의 전극 잉크의 토출 타이밍을 제어한다. 또, 전해질막(2)의 폭방향에 있어서의 위치 맞춤에 대해서는, 제어부(90)가 도공 노즐(30)의 Y축방향 위치를 조정한다.
도 13은, 촉매층(9)에 대응하는 반대면에 전극 잉크가 간헐 도공된 전해질막(2)의 단면도이다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 제1면에 형성된 촉매층(9)의 형성 위치에 대응하는 전해질막(2)의 제2면에 전극 잉크가 도공되어 전극 잉크층(8)이 형성된다. 또한, 전해질막(2)의 제2면에 형성하는 전극 잉크층(8)의 위치는, 촉매층(9)의 형성 위치에 완전하게 대응하는 것이 아니어도 되고, 약간 어긋나 있어도 된다.
그 다음에, 흡착 롤러(20)의 회전에 의해서, 전극 잉크층(8)이 건조로(40)에 대향하는 위치로까지 반송되고, 전극 잉크층(8)의 건조 처리가 행해진다. 전극 잉크층(8)의 건조 처리는 제1 실시형태와 동일하며, 건조로(40)로부터 전극 잉크층(8)에 열풍을 내뿜음으로써 행해진다. 열풍이 내뿜어짐으로써 전극 잉크층(8)이 가열되어 용매 성분이 휘발되고, 전극 잉크층(8)이 건조된다. 용매 성분이 휘발됨으로써 전극 잉크층(8)이 건조되어 촉매층(9)이 된다.
또, 건조로(40)의 3개의 건조 존(41, 42, 43)은, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 열풍 온도(건조 온도)를 순차적으로 높게 하고 있다. 이에 의해, 전극 잉크층(8)이 단계적으로 건조되게 되어, 건조 처리시의 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
도 14는, 양면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)의 단면도이다. 전해질막(2)의 제1면에 촉매층(9)이 형성됨과 더불어, 그것과는 역극성인 촉매층(9)이 제2면에 형성된다. 제2면의 촉매층(9)은 제1면에 있어서의 촉매층(9)의 형성 위치에 대응하는 위치에 형성되므로, 도 14에 나타낸 바와 같이, 캐소드 및 애노드의 촉매층(9) 사이에 전해질막(2)이 끼워지게 된다.
다음에, 흡착 롤러(20)가 더욱 회전함으로써, 건조 후의 촉매층(9)이 접합부(50)에 도달한다. 제2면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2)이 접합부(50)에 도달하면, 전해질막(2)은 흡착 롤러(20)로부터 박리되어 제2 프레스 롤러(51)에 의해서 현가된다. 즉, 전해질막(2)의 제1면이 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 박리됨과 더불어, 전해질막(2)의 제2면이 제2 프레스 롤러(51)의 외주면에 의해서 접촉 지지되는 것이다. 한편, 지지 필름 권출 롤러(55)로부터 송출된 지지 필름(7)은, 제3 프레스 롤러(52)에 현가된다.
양면에 촉매층(9)이 형성된 전해질막(2) 및 지지 필름(7)이 제2 프레스 롤러(51)와 제3 프레스 롤러(52) 사이를 통과할 때에, 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)이 눌러져 접합된다. 도 15는, 지지 필름(7)이 접합된 전해질막(2)의 단면도이다. 제2 프레스 롤러(51)에 감겨진 전해질막(2)의 제1면과, 제3 프레스 롤러(52)에 감겨진 지지 필름(7)이 접촉한다. 이 때, 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)이 눌러지는 힘은, 제2 프레스 롤러(51)와 제3 프레스 롤러(52)의 간격에 의해서 규정된다. 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)을 누름으로써, 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)이 접합되어 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 제조된다. 또한, 도 15에서는, 촉매층(9)의 두께를 과장하여 그리고 있으나, 실제로는 3μm~50μm의 매우 얇은 것이므로, 촉매층(9) 위에서부터 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)을 적절하게 접합하는 것이 가능하다.
지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)는, 추가 건조로(49)의 내부를 통과하고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취된다. 막·촉매층 접합체(5)가 추가 건조로(49)의 내부를 통과할 때에, 촉매층(9)의 최종의 마무리 건조가 행해진다. 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취됨으로써, 일련의 막·촉매층 접합체(5)의 제조 프로세스가 완료된다.
제2 실시형태에 있어서도, 전극 잉크를 도공할 때에는 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 의해서 흡착 지지함과 더불어, 그 후에 전해질막(2)이 흡착 롤러(20)로부터 떨어져나간 후에도 제2 프레스 롤러(51) 및 지지 필름(7)에 의해서 전해질막(2)을 연속적으로 지지하고 있다. 따라서, 전극 잉크의 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 제조 장치(1a)에 의해서 제조된 막·촉매층 접합체(5)를 사용한 연료 전지의 발전 성능의 저하를 방지할 수 있다.
또, 제2 실시형태의 제조 장치(1a)에서는, 전극 잉크의 도공시 이후뿐만 아니라, 전해질막(2)이 전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출되고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 권취될 때까지 항상 어떠한 부재에 의해서 연속적으로 지지되고 있다. 이 때문에, 막·촉매층 접합체(5)의 일련의 제조 공정 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다.
<3. 제3 실시형태>
다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 대해서 설명한다. 제3 실시형태에 있어서는, 전해질막(2)의 편면에 전극 잉크를 2회 도공하여 건조 처리를 행한다. 도 16은, 제3 실시형태의 복합막의 제조 장치(1b)의 측면도이다. 동 도면에서, 제1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 있다. 제3 실시형태의 제조 장치(1b)와 제1 실시형태의 제조 장치(1)의 차이점은, 2개의 도공 노즐(30, 130)을 구비하고 있다는 점이다.
제조 장치(1b)의 도공 노즐(30) 및 도공액 공급 기구(35)는, 제1 실시형태와 동일한 것이다. 제3 실시형태의 제조 장치(1b)는, 도공 노즐(130)을 더 구비한다. 도공 노즐(130)은, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향에 있어서, 도공 노즐(30)보다도 하류측에 건조로(40)를 분단하도록 설치되어 있다. 즉, 도공 노즐(130)을 사이에 두고 전후로 건조로(40)가 설치되어 있다. 예를 들면, 건조로(40)의 3개의 건조 존 중 1개를 도공 노즐(130)보다도 상류측에 배치함과 더불어, 2개를 도공 노즐(130)보다도 하류측에 배치하도록 하면 된다.
도공 노즐(130) 및 도공액 공급 기구(135)의 구성 자체는, 도공 노즐(30) 및 도공액 공급 기구(35)와 같다. 즉, 도공 노즐(130)은, 선단에 슬릿형상의 토출구를 구비한 슬릿 노즐이다. 도공액 공급 기구(135)는, 전극 잉크를 저류하는 탱크나 개폐 밸브를 구비하고, 도공 노즐(130)에 전극 잉크를 송급한다. 2개의 도공 노즐(30, 130)을 구비하고 있는 점을 제외한 제3 실시형태의 제조 장치(1b)의 잔여의 구성은 제1 실시형태의 제조 장치(1)와 같다.
제3 실시형태의 제조 장치(1b)에 있어서의 처리 절차에 대해서는, 제1 실시형태와 대체로 같다. 우선, 흡착 롤러(20)에 전해질막(2)의 제2면이 흡착된 상태로 백시트(6)가 제1면으로부터 박리되어 흡착 롤러(20)에 의해서 흡착 지지되어 반송되는 전해질막(2)의 제1면에 도공 노즐(30)로부터 1회째의 전극 잉크가 간헐 도공될 때까지의 공정은 제1 실시형태와 완전히 동일하다.
그 다음에, 흡착 롤러(20)의 회전에 의해서, 전극 잉크층(8)이 전단의 건조로(40)(도공 노즐(130)보다도 상류측의 건조로(40))에 대향하는 위치로까지 반송되고, 1회째의 전극 잉크의 도공에 의해서 형성된 전극 잉크층(8)의 건조 처리가 행해진다. 이 건조 처리에서는, 전극 잉크층(8)을 완전하게 건조시키지 않아도 되고, 표면이 손으로 만져봤을 때 붙지 않을 정도로 건조시켜 두면 된다.
제3 실시형태에서는, 1회째의 전극 잉크의 도공에 의해서 전해질막(2)의 제1면에 형성된 전극 잉크층(8) 상에, 도공 노즐(130)로부터 2번째의 전극 잉크의 간헐 도공을 더 행한다. 이에 의해, 전해질막(2)의 제1면에는 전극 잉크층(8)이 이중으로 적층되게 된다.
흡착 롤러(20)의 회전에 의해서, 전해질막(2)의 제1면에 이중으로 적층된 전극 잉크층(8)이 후단의 건조로(40)(도공 노즐(130)보다도 하류측의 건조로(40))에 대향하는 위치로까지 반송되고, 전극 잉크층(8)의 건조 처리가 행해진다. 건조로(40)로부터 전극 잉크층(8)에 열풍을 내뿜음으로써 전극 잉크층(8)이 가열되어 용매 성분이 휘발되고, 적층된 전극 잉크층(8)이 건조된다. 용매 성분이 휘발됨으로써 전극 잉크층(8)이 건조되어 이중으로 적층된 촉매층(9)이 된다.
그 후, 흡착 롤러(20)가 더욱 회전함으로써, 건조 후의 촉매층(9)이 접합부(50)에 도달하고, 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 눌러져 접합되는데, 이 공정은 제1 실시형태와 동일하다. 도 17은, 제1면에 촉매층(9)이 적층된 전해질막(2)의 제2면에 지지 필름(7)이 접합된 전해질막(2)의 단면도이다. 제1 실시형태와 마찬가지로, 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)을 누름으로써, 전해질막(2)의 제1면에 지지 필름(7)이 접합되어 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 제조된다.
그리고, 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)는, 추가 건조로(49)의 내부를 통과하고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 권취된다. 막·촉매층 접합체(5)가 추가 건조로(49)의 내부를 통과할 때에, 적층된 촉매층(9)의 최종의 마무리 건조가 행해진다. 지지 필름(7)이 부착된 막·촉매층 접합체(5)가 접합체 권취 롤러(56)에 의해서 권취됨으로써, 일련의 막·촉매층 접합체(5)의 제조 프로세스가 완료된다.
제3 실시형태에 있어서도, 전극 잉크를 도공할 때에는 전해질막(2)을 흡착 롤러(20)에 의해서 흡착 지지함과 더불어, 그 후에 전해질막(2)이 흡착 롤러(20)로부터 떨어져나간 후에도 제2 프레스 롤러(51) 및 지지 필름(7)에 의해서 전해질막(2)을 연속적으로 지지하고 있다. 따라서, 전극 잉크의 1회째의 도공시 이후의 반송 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 제조 장치(1b)에 의해서 제조된 막·촉매층 접합체(5)를 사용한 연료 전지의 발전 성능의 저하를 방지할 수 있다.
또, 제3 실시형태의 제조 장치(1b)에서는, 전극 잉크의 도공시 이후뿐만 아니라, 전해질막(2)이 전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출되고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 권취될 때까지 항상 어떠한 부재에 의해서 연속적으로 지지되고 있다. 이 때문에, 막·촉매층 접합체(5)의 일련의 제조 공정의 전체에 걸쳐서 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있어 주름이나 핀홀의 발생을 방지할 수 있다.
<4. 변형예>
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했는데, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한, 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 각 실시형태에 있어서는, 제1 프레스 롤러(11) 및 제2 프레스 롤러(51)는, 흡착 롤러(20)의 외주면으로부터 소정의 간격을 두고 근접하도록 설치되고, 있었는데, 이들을 흡착 롤러(20)의 외주면에 접촉시켜 배치하도록 해도 된다. 마찬가지로, 제3 프레스 롤러(52)를 제2 프레스 롤러(51)에 접촉시켜 배치하도록 해도 된다. 이들 롤러를 서로 접촉하도록 배치해도, 전해질막(2)이 전해질막 권출 롤러(12)로부터 송출되고 나서 접합체 권취 롤러(56)에 권취될 때까지 항상 어떠한 부재에 의해서 연속적으로 지지되게 되므로, 전해질막(2)의 팽윤·수축에 기인한 변형을 억제할 수 있다. 단, 롤러를 서로 접촉하도록 배치한 경우에는, 전해질막(2)이나 촉매층(9)에 상기 실시형태보다도 강한 힘이 작용하게 된다.
또, 상기 각 실시형태에 있어서는, 건조로(40)에 3개의 건조 존(41, 42, 43)을 설치하고 있었는데, 건조 존의 분할수는 3개로 한정되는 것이 아니라, 2개여도 되고, 4개 이상이어도 된다. 어느 것이라도, 건조로(40)가 내뿜는 열풍의 온도는, 흡착 롤러(20)에 의한 전해질막(2)의 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 높아진다.
또, 이웃하는 건조 존 사이에 상기 실시형태와 동일한 열 차단 존을 설치하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 이웃하는 건조 존으로부터 내뿜어진 열풍의 상호 간섭을 방지할 수 있다.
또, 건조로(40)에 의해서 촉매층(9)이 충분히 건조되는 경우에는, 추가 건조로(49)는 반드시 설치하지 않아도 된다.
또, 건조로(40)는, 열풍을 내뿜어 전극 잉크층(8)의 건조를 행하도록 하고 있었는데, 이를 대신해, 원적외선 히터 등에 의해서 전극 잉크층(8)의 건조를 행하도록 해도 된다.
또, 에어 분출부(60)를 대신해, 이물을 흡착하는 점착 롤러나 브러시를 흡착 롤러(20)의 외주면에 접촉시키도록 설치해도 된다. 혹은, 흡착 롤러(20)의 외주면에 초음파를 내뿜고 이물을 제거하는 기구를 설치하도록 해도 된다.
또, 제2 프레스 롤러(51)의 내부에 냉각수를 흘리고, 흡착 롤러(20)로부터 제2 프레스 롤러(51)로의 열전도에 의해서 흡착 롤러(20)의 외주면을 냉각하여 제열하도록 해도 된다.
또, 제2 실시형태의 제조 장치(1a)를 사용하여 전해질막(2)의 편면에 형성된 촉매층(9)의 위치를 특정하고, 그 촉매층(9) 위에 새로운 전극 잉크를 도공하여 건조 처리를 행하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 제3 실시형태와 동일하게, 촉매층(9)을 적층한 막·촉매층 접합체(5)를 제조할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 제조 기술은, 연료 전지의 막·촉매층 접합체(5)의 제조에 대한 적용에 한정되는 것이 아니고, 다른 종류의 박막 상에 기능층을 형성하는 복합막의 제조에 적용할 수도 있다. 특히, 상기 전해질막(2)과 같이, 팽윤·수축에 의해서 쉽게 변형되는 박막에 용매를 포함하는 도공액을 도공하여 건조시킴으로써, 박막 상에 기능층을 형성한 복합막을 제조하는데, 본 발명에 따른 제조 기술은 매우 적절하게 이용할 수 있다.
본 발명은, 팽윤·수축에 의해서 쉽게 변형되는 박막에 도공액을 도공하여 건조시킴으로써 상기 박막 상에 기능층을 형성하는 복합막의 제조 기술에 적용할 수 있으며, 특히 고체 고분자형 연료 전지의 막·촉매층 접합체의 제조에 적절하다.
1, 1a, 1b:제조 장치
2:전해질막
5:막·촉매층 접합체
6:백시트
7:지지 필름
9:촉매층
10:박리부
11:제1 프레스 롤러
12:전해질막 권출 롤러
14:백시트 권취 롤러
20:흡착 롤러
21:흡인구
22:수랭관
30, 130:도공 노즐
35, 135:도공액 공급 기구
40:건조로
41, 42, 43:건조 존
44, 45:열 차단 존
49:추가 건조로
50:접합부
51:제2 프레스 롤러
52:제3 프레스 롤러
55:지지 필름 권출 롤러
56:접합체 권취 롤러
60:에어 분출부
70:화상 처리 유닛
90:제어부

Claims (18)

  1. 띠형상의 박막 상에 기능층을 형성한 복합막의 제조 장치로서,
    외주면에서 상기 박막을 흡착하여 지지하는 흡착 롤러와,
    상기 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 상기 박막의 한쪽면에 도공(塗工)액을 도공하는 도공 수단과,
    상기 흡착 롤러의 외주면의 일부를 덮도록 설치되고, 상기 박막의 한쪽면에 도공된 상기 도공액을 건조시켜 상기 기능층을 형성하는 건조 수단과,
    상기 기능층이 형성된 상기 박막의 다른쪽 면에 띠형상의 제1 지지 부재를 접합하는 접합 수단을 구비하고,
    상기 접합 수단은, 상기 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하면서 상기 박막의 한쪽면에 접촉하여 상기 박막을 지지하는 제1 롤러를 갖고, 상기 제1 롤러의 외주면에 상기 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 접합하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합 수단은, 상기 제1 롤러와 접촉 또는 근접하면서, 상기 제1 롤러의 외주면에 접촉 지지된 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 가압하는 제2 롤러를 갖는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    한쪽면에 띠형상의 제2 지지 부재가 접합된 상기 박막으로부터 상기 제2 지지 부재를 박리하는 박리 수단을 더 구비하고,
    상기 박리 수단은, 상기 흡착 롤러에 상기 박막의 다른쪽 면이 흡착된 상태로 상기 제2 지지 부재를 박리하는 제3 롤러를 갖는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조 수단은, 복수의 건조 존으로 분할되고,
    상기 복수의 건조 존의 건조 온도는, 상기 박막이 반송되는 반송 방향의 상류측에서 하류측을 향해 순차적으로 높아지는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 건조 수단은, 적어도 상기 반송 방향의 가장 상류측에 열 차단 존을 갖는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합 수단에 의해서 상기 제1 지지 부재가 접합된 상기 박막을 가열하는 보조 건조 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 도공 수단은, 슬릿형상의 토출구를 구비하는 슬릿 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡착 롤러를 냉각하는 냉각 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡착 롤러의 외주면에 에어를 분출하는 분출 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 도공 수단은, 상기 박막에 도공액을 단속적으로 도공하는 간헐 도공을 행하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 접합 수단은, 상기 박리 수단이 박리한 상기 제2 지지 부재를 상기 제1 지지 부재로서 상기 박막의 다른쪽 면에 접합하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은 연료 전지용 전해질막이며,
    상기 도공액은 전극 페이스트인 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 장치.
  13. 띠형상의 박막 상에 기능층을 형성한 복합막의 제조 방법으로서,
    흡착 롤러의 외주면에 상기 박막을 흡착하여 지지하는 흡착 지지 공정과,
    상기 흡착 롤러에 흡착 지지되어 반송되는 상기 박막의 한쪽면에 도공액을 도공하는 도공 공정과,
    상기 박막의 한쪽면에 도공된 상기 도공액을 건조시켜 상기 기능층을 형성하는 건조 공정과,
    상기 기능층이 형성된 상기 박막의 다른쪽 면에 띠형상의 제1 지지 부재를 접합하는 접합 공정을 구비하고,
    상기 접합 공정은, 상기 흡착 롤러와 접촉 또는 근접하면서 상기 박막의 한쪽면에 접촉하여 상기 박막을 지지하는 제1 롤러의 외주면에 상기 박막의 한쪽면이 접촉 지지된 상태로 상기 박막의 다른쪽 면에 상기 제1 지지 부재를 접합하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 접합 공정은, 상기 제1 롤러의 외주면에 접촉 지지된 상기 박막의 다른쪽 면에 제2 롤러에 의해서 상기 제1 지지 부재를 가압하여 접합하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    한쪽면에 띠형상의 제2 지지 부재가 접합된 상기 박막으로부터 상기 제2 지지 부재를 박리하는 박리 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 도공 공정은, 상기 박막에 도공액을 단속적으로 도공하는 간헐 도공을 행하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 접합 공정은, 상기 박리 공정에서 박리된 상기 제2 지지 부재를 상기 제1 지지 부재로서 상기 박막의 다른쪽 면에 접합하는 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
  18. 청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은 연료 전지용 전해질막이며,
    상기 도공액은 전극 페이스트인 것을 특징으로 하는 복합막의 제조 방법.
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