WO2011099285A1 - 膜－触媒層接合体の製造方法及び装置 - Google Patents

膜－触媒層接合体の製造方法及び装置 Download PDF

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WO2011099285A1
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electrolyte membrane
membrane
catalyst
catalyst layer
polymer electrolyte
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潤 松村
庸一郎 辻
宏幸 永井
信夫 佐藤
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パナソニック株式会社
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly provided in a fuel cell used as a drive power source for mobile devices such as portable electronic devices, automobiles, distributed power generation systems, and home cogeneration systems. About.
  • a fuel cell for example, a polymer electrolyte fuel cell
  • a fuel cell generates electric power, heat, and water simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is a device to let you.
  • a fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with fastening members such as bolts and bands.
  • One cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) between a pair of plate-like conductive separators.
  • MEA Membrane-Electrode-Assembly
  • MEA is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane.
  • One of the pair of electrode layers is an anode electrode, and the other is a cathode electrode.
  • Each of the pair of electrode layers includes a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a metal catalyst and a porous and conductive gas diffusion layer disposed on the catalyst layer.
  • the assembly of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is referred to as a membrane-catalyst layer assembly (CCM).
  • CCM membrane-catalyst layer assembly
  • the membrane-catalyst layer assembly can be manufactured, for example, as follows.
  • a first shape holding film is attached to one surface of the polymer electrolyte membrane.
  • a first catalyst layer is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane.
  • a 2nd shape maintenance film is affixed on this 1st catalyst layer.
  • the first shape holding film attached to one surface of the polymer electrolyte membrane is removed, and a second catalyst layer is formed on this one surface.
  • a catalyst ink containing a catalyst and a solvent is printed or applied on the polymer electrolyte membrane, and is left to dry at room temperature (see, for example, Patent Document 1). .
  • the technique of producing a membrane-catalyst layer assembly by directly printing or applying a catalyst ink on a polymer electrolyte membrane can extremely reduce the interface resistance between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. Therefore, it has attracted attention as an ideal method for producing a membrane-catalyst layer assembly.
  • the polymer electrolyte membrane is usually a very thin member (for example, 20 ⁇ m to 50 ⁇ m) and easily deformed even with a little moisture.
  • a very thin member for example, 20 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • wrinkles and pinholes are generated in the polymer electrolyte membrane due to swelling. Such wrinkles and pinholes are factors that reduce the power generation performance of the fuel cell.
  • Patent Document 1 aims to suppress the occurrence of wrinkles and pinholes by pasting a shape-retaining film on the surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the surface on which the catalyst ink is applied.
  • Patent Document 2 aims to suppress swelling of the electrolyte / electrode assembly by preventing suction leakage using a cover and improving the adsorption power of the roller to the polymer electrolyte membrane.
  • Patent Document 3 discloses a technology for promoting drying by evaporating a solvent from a liquid of a coating film by an air flow from a blower. Further, for example, it is disclosed that the drying of the liquid is promoted by using a blowing device together with the heating of the circulating moving body.
  • Patent Document 1 a catalyst ink containing a catalyst and a solvent is printed or applied on a polymer electrolyte membrane, and is left to dry at room temperature.
  • the second catalyst layer is formed on one surface of the polymer electrolyte membrane, wrinkles and pinholes are likely to occur in the polymer electrolyte membrane, and the effect of suppressing wrinkles and pinholes is not sufficient.
  • an object of the present invention is to provide a method and apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly, which solves the above-described problem and can further suppress the occurrence of wrinkles and pinholes in a polymer electrolyte membrane. There is.
  • the inventors of the present invention have found the following as a result of intensive studies in order to solve the problems of the prior art.
  • the inventors of the present invention heat the catalyst ink applied to one surface of the polymer electrolyte membrane from the other surface side of the polymer electrolyte membrane (indirect heating through the polymer electrolyte membrane). It was found that the swelling generated in the polymer electrolyte membrane can be sufficiently restored when dried. That is, when the catalyst ink is applied to one surface of the polymer electrolyte membrane, a dimensional change due to swelling occurs from one surface of the polymer electrolyte membrane toward the inside.
  • a method for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell comprising: A catalyst coating step of coating a catalyst ink on one surface of the polymer electrolyte membrane; A first drying step of drying the catalyst ink by heating the electrolyte membrane from the other surface side of the electrolyte membrane; After the first drying step, the electrolyte membrane is heated from one side of the polymer electrolyte membrane to dry the catalyst ink, and a second drying step of forming a catalyst layer on one side of the electrolyte membrane; , A method for producing a membrane-catalyst layer assembly is provided.
  • the catalyst in the second drying step, in addition to heating the electrolyte membrane from one side of the polymer electrolyte membrane, the catalyst is also heated from the other side.
  • the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the first aspect which is a step of drying ink and forming a catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane, is provided.
  • the membrane-catalyst according to the first or second aspect further includes a film sticking step of sticking a shape-retaining film to the other surface of the electrolyte membrane before the catalyst coating step.
  • a method for producing a layered assembly is provided.
  • a second catalyst application step of applying a second catalyst ink to the other surface of the electrolyte membrane A third drying step of drying the second catalyst ink by heating the electrolyte membrane from one side of the electrolyte membrane; After the third drying step, the electrolyte membrane is heated from the other surface side of the polymer electrolyte membrane to dry the second catalyst ink, and a second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. 4 drying steps; The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the first aspect is further provided.
  • the second catalyst in addition to heating the electrolyte membrane from the other surface side of the polymer electrolyte membrane, the second catalyst is also heated from one surface side.
  • the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the fourth aspect which is a step of drying the ink to form a second catalyst layer on the other surface of the electrolyte membrane.
  • a first film sticking step of sticking a first shape retaining film on the other surface of the electrolyte membrane Before the second catalyst coating step, a second film sticking step of sticking a second shape retaining film on one surface of the electrolyte membrane; A first film peeling step for peeling the first shape-retaining film from the other surface of the electrolyte membrane after the second film sticking step and before the second catalyst coating step;
  • the amount of heat applied to the electrolyte membrane in the second drying step is greater than the amount of heat applied to the electrolyte membrane in the first drying step.
  • the heating temperature to the electrolyte membrane in the second drying step is higher than the heating temperature to the electrolyte membrane in the first drying step.
  • an apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell A transport device for transporting the polymer electrolyte membrane in the transport direction; A catalyst application device for applying catalyst ink to one surface of the polymer electrolyte membrane; First, the catalyst membrane is dried by heating the electrolyte membrane disposed downstream of the catalyst coating device in the transport direction and coated with the catalyst ink from the other surface side of the polymer electrolyte membrane. A drying device; The catalyst membrane is dried by heating the electrolyte membrane that is disposed downstream of the first drying device in the transport direction and has passed through the first drying device from one surface side of the polymer electrolyte membrane. A second drying device for forming a catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane; An apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly is provided.
  • the second drying device heats the electrolyte membrane that has passed through the first drying device from one surface side of the polymer electrolyte membrane and also from the other surface side.
  • the amount of heat applied to the electrolyte membrane by the second drying device is greater than the amount of heat applied to the electrolyte membrane by the first drying device.
  • the apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the ninth or tenth aspect, wherein the heating temperature of the second drying device is higher than the heating temperature of the first drying device.
  • the catalyst ink applied to one surface of the polymer electrolyte membrane is dried by heating from the other surface side of the polymer electrolyte membrane. Therefore, the swelling generated in the polymer electrolyte membrane can be sufficiently restored.
  • the catalyst ink is dried by heating from one side of the polymer electrolyte membrane.
  • a membrane-catalyst layer assembly in which generation of wrinkles and pinholes in the molecular electrolyte membrane is suppressed can be obtained.
  • the first drying device is disposed on the downstream side in the transport direction from the catalyst coating device, so that it is applied to one surface of the polymer electrolyte membrane.
  • the resulting catalyst ink can be heated from the other side of the polymer electrolyte membrane and dried to sufficiently restore the swelling generated in the polymer electrolyte membrane.
  • the second drying device is disposed downstream of the first drying device in the transport direction, and therefore, generated in the polymer electrolyte membrane.
  • the catalyst ink can be heated and dried from one side of the polymer electrolyte membrane with the swelling restored. As a result, a membrane-catalyst layer assembly in which generation of wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane is suppressed can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of an apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a polymer film having a structure in which a first shape retaining film is attached to the second surface of the polymer electrolyte membrane;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a polymer film having a structure in which a first catalyst layer is formed on the first surface of the polymer electrolyte membrane from the state of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a polymer film having a structure in which a second shape-retaining film is attached to the first surface of the polymer electrolyte membrane in which the first catalyst layer is further formed from the state of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a polymer film having a structure in which the second shape retaining film is peeled from the state of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a polymer film having a structure in which a second catalyst layer is formed on the second surface of the polymer electrolyte membrane from the state of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the membrane-catalyst layer assembly according to the present embodiment is used for a fuel cell used as a driving source for a moving body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like.
  • the apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly includes a supply roll 11, a backup roll 12, a die 13, a preliminary drying apparatus 14 as an example of a first drying apparatus,
  • This drying device 15 which is an example of a drying device and a winding roll 16 are provided.
  • a polymer film 10 is wound around the supply roll 11.
  • the polymer film 10 refers to polymer films 10a to 10e having the structure shown in any of FIGS.
  • the catalyst layer 4a is formed on the first surface (one surface) of the polymer electrolyte membrane 1 as shown in FIG. 3, the polymer film 10a having the structure shown in FIG.
  • a polymer film 10 a having a structure in which the first shape holding film 2 is attached to the second surface (the other surface) of the sheet-like polymer electrolyte membrane 1 is wound around the supply roll 11.
  • the catalyst layer 4b is formed on the second surface (one surface) of the polymer electrolyte membrane 1 as shown in FIG. 6, the polymer film 10d having the structure shown in FIG.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited.
  • a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). (Registered trademark), Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, etc.) can be used.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is usually a member that is very thin and easily deforms even with a little moisture.
  • the shape-retaining film 2 or 3 is formed on the first surface or the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 in order to improve handling and further suppress wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane. Is pasted.
  • this invention is not limited to this, The shape maintenance film 2 or 3 does not necessarily need to be provided.
  • first and second shape retaining films 2 and 3 for example, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyetherimide, polyimide, fluororesin, or the like can be used.
  • the first and second shape retaining films 2 and 3 may be any film having heat resistance that does not thermally deform during lamination.
  • the polymer film 10 drawn out from the supply roll 11 is suspended on the backup roll 12 and taken up on the take-up roll 16.
  • the winding roll 16 includes a motor (not shown), and continuously rotates the polymer film 10 by continuously rotating with the driving force of the motor.
  • the supply roll 11 and the take-up roll 16 constitute an example of a transport device that transports the polymer electrolyte membrane 1 in the transport direction X.
  • the backup roll 12 is a cylindrical member whose diameter is set to 300 mm, for example. Since the shape maintaining film 2 or 3 is attached to the polymer electrolyte membrane 1, the backup roll 12 does not need to be provided with a suction function.
  • the die 13 is disposed at a position facing the backup roll 12 with the polymer film 10 interposed therebetween.
  • a supply pump P is connected to the die 13.
  • the die 13 is configured to be able to discharge (apply) the catalyst ink for forming the catalyst layer supplied from the supply pump P toward the portion of the polymer film 10 that contacts the backup roll 12.
  • the die 13 and the supply pump P constitute an example of a catalyst coating apparatus that applies catalyst ink to the first surface or the second surface of the polymer electrolyte membrane 1.
  • the catalyst ink is an ink obtained by mixing carbon fine particles supporting a platinum-based metal catalyst with a solvent.
  • the metal catalyst for example, platinum, ruthenium, rhodium, iridium and the like can be used. Carbon black, ketjen black, acetylene black, etc. can be used as the carbon powder.
  • organic solvents such as water, alcohols such as ethanol, n-propanol and n-butanol, and ethers, esters and fluorines can be used.
  • the pre-drying device 14 is arranged on the downstream side in the transport direction X from the backup roll 12 so as to face the second surface (or the first surface) of the polymer film 10.
  • the pre-drying device 14 uses the catalyst ink discharged from the die 13 toward the first surface (or the second surface) of the polymer electrolyte membrane 1 on the second surface (or the first surface) side of the polymer electrolyte membrane 1. It is an apparatus that heats and dries. By the drying by the preliminary drying device 14, the swelling generated in the polymer electrolyte membrane 1 can be sufficiently restored.
  • the preliminary drying device 14 for example, an induction heating type or electromagnetic heating type heating device, a hot plate, a far infrared heater, or the like can be used.
  • the heating temperature by the preliminary drying device 14 is too low, sufficient drying cannot be performed, and if it is too high, the polymer electrolyte membrane 1 may be damaged. Therefore, the heating temperature may be set within a range of 50 ° C. to 140 ° C., for example. preferable.
  • the heating time by the preliminary drying device 14 is preferably as long as possible from the viewpoint of sufficiently restoring the swelling generated in the polymer electrolyte membrane 1, and is preferably set to, for example, 30 seconds or more.
  • the length of the preliminary drying device 14 needs to be increased in order to increase the heating time by the preliminary drying device 14. In this case, a manufacturing apparatus will be enlarged.
  • the production capacity of the membrane-catalyst layer assembly is lowered. Therefore, it is preferable to appropriately set the heating time by the preliminary drying device 14 with these points in mind.
  • the main drying device 15 is disposed so as to surround the polymer film 10 on the downstream side in the transport direction X from the preliminary drying device 14.
  • the main drying device 15 is a device that heats and drys the catalyst ink dried by the preliminary drying device 14 from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1. By the drying by the main drying device 15, the solvent of the catalyst ink is completely dried to form the catalyst layer 4a (or 4b).
  • a convection hot air drying device can be used as the main drying device 15.
  • the heating temperature by the main drying device 15 is preferably the same as or higher than the heating temperature by the preliminary drying device 14. Thereby, even if the solvent of the catalyst ink cannot be sufficiently dried by the heating by the preliminary drying device 14, the drying of the catalyst ink by the heating by the main drying device 15 can be promoted. Thereby, generation
  • the ratio of the heating temperature by the main drying device 15 to the heating temperature by the preliminary drying device 14 is preferably 1.0 to 2.0.
  • the heating temperature by the preliminary drying device 14 is preferably 50 ° C. to 70 ° C.
  • the heating temperature by the main drying device 15 is preferably 50 ° C. to 140 ° C.
  • the drying device 15 since the drying device 15 directly dries the catalyst ink, the drying device 15 has a drying capacity superior to that of the preliminary device 14 that indirectly heats the catalyst ink through the polymer electrolyte membrane 1 or the like. For this reason, when the heating temperature by the main drying device 15 and the heating temperature by the preliminary drying device 14 are the same or higher, the heating time by the main drying device 15 is preferably the same as or longer than the heating time by the preliminary drying device 14. . That is, it is preferable that the heat amount of the main drying device 15 is the same as or larger than the heat amount of the preliminary drying device 14.
  • the ratio of the heat amount of the main drying device 15 to the heat amount of the preliminary drying device 14 is preferably 1.0 to 25.5. Further, the ratio of the heat amount of the main drying device 15 to the heat amount of the preliminary drying device 14 is more preferably 1.0 to 12.0, and further preferably 1.0 to 5.3.
  • the first shape retaining film 2 is attached to the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 to produce the polymer film 10a shown in FIG. 2 (first film attaching step).
  • the polymer film 10a shown in FIG. 2 is wound around the supply roll 11, and the polymer film 10a is set so as to be suspended on the backup roll 12 and wound up on the take-up roll 16 as shown in FIG.
  • a motor (not shown) of the winding roll 16 is driven to continuously feed the polymer film 10 a from the supply roll 11 toward the winding roll 16.
  • the catalyst ink is discharged from the supply pump P through the die 13 onto the polymer film 10 a positioned on the backup roll 12 by the feeding operation. As a result, the catalyst ink is applied to the first surface of the polymer electrolyte membrane 1 (catalyst application step).
  • the polymer film 10a coated with the catalyst ink sent to the upper side of the preliminary drying device 14 by the feeding operation is heated by the preliminary drying device 14.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is heated from the second surface side of the polymer electrolyte membrane 1 to dry the catalyst ink, and the swelling of the polymer electrolyte membrane 1 is restored (first drying step).
  • the polymer film 10 a coated with the catalyst ink sent into the main drying device 15 by the feeding operation is heated by the main drying device 15.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is heated from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 to dry the catalyst ink, thereby forming the catalyst layer 4a as shown in FIG. Drying step).
  • the polymer film 10b shown in FIG. 3 is wound around the winding roll 16 by continuously performing the feeding operation.
  • the second shape retaining film 3 is attached to the second surface of the polymer film 10b shown in FIG. 3 wound around the take-up roll 16 (second film attaching step).
  • the first shape-retaining film 2 is peeled from the polymer film 10c shown in FIG. 4 to create the polymer film 10d shown in FIG. 5 (first film peeling step).
  • the polymer film 10 d shown in FIG. 5 is wound around the supply roll 11, and the polymer film 10 d is set so as to be suspended on the backup roll 12 and wound up on the take-up roll 16 as shown in FIG.
  • the polymer film 10 d is set so that the polymer electrolyte membrane 1 is exposed to the die 13. That is, the polymer film 10 is set so that the second surface of the polymer film 10 d faces the die 13 and the first surface of the polymer film 10 d faces the predrying device 14.
  • a motor (not shown) of the winding roll 16 is driven to continuously feed the polymer film 10 d from the supply roll 11 toward the winding roll 16.
  • the catalyst ink is discharged from the supply pump P through the die 13 onto the polymer film 10d positioned on the backup roll 12 by the feeding operation. Thereby, catalyst ink is apply
  • the polymer film 10 d coated with the catalyst ink sent to the upper side of the preliminary drying device 14 by the feeding operation is heated by the preliminary drying device 14.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is heated from the second surface side of the polymer electrolyte membrane 1 to dry the catalyst ink, and the swelling of the polymer electrolyte membrane 1 is restored (third drying step).
  • the polymer film 10 d coated with the catalyst ink sent into the main drying device 15 by the feeding operation is heated by the main drying device 15.
  • the polymer electrolyte membrane 1 is heated from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 to dry the catalyst ink, thereby forming the catalyst layer 4b as shown in FIG. Drying step).
  • the polymer film 10e shown in FIG. 6 is wound around the winding roll 16 by continuously performing the feeding operation.
  • the membrane-catalyst layer assembly according to this embodiment can be manufactured by peeling the second shape retaining film 3 from the polymer film 10e shown in FIG.
  • the catalyst ink applied to the first surface of the polymer electrolyte membrane 1 is heated and dried from the second surface side of the polymer electrolyte membrane 1.
  • the swelling generated in the polymer electrolyte membrane 1 can be sufficiently restored.
  • the catalyst ink is dried by heating from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1. Therefore, a membrane-catalyst layer assembly in which generation of wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane is suppressed can be obtained.
  • the predrying device 14 is disposed downstream of the die 13 for discharging the catalyst ink in the transport direction X, so that the polymer electrolyte membrane
  • the catalyst ink applied to the first surface of one can be heated and dried from the second surface side of the polymer electrolyte membrane 1 to sufficiently restore the swelling generated in the polymer electrolyte membrane 1.
  • the main drying device 15 is arranged downstream of the preliminary drying device 14 in the transport direction X, it is generated in the polymer electrolyte membrane 1.
  • the catalyst ink can be heated and dried from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 in a state where the swell is restored. As a result, a membrane-catalyst layer assembly in which generation of wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane is suppressed can be obtained.
  • the apparatus for drying by heating from both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 is used as the main drying device 15, but the present invention is not limited to this.
  • the main drying device 15 a device that dries only the surface opposite to the surface of the polymer electrolyte membrane 1 to be dried by the preliminary drying device 14 may be used.
  • the main drying device 15 may be an induction heating type or electromagnetic heating type heating device, a hot plate, a far infrared heater, or the like. Even in such an apparatus, since the catalyst ink is directly dried, the apparatus has a drying capacity superior to that of the preliminary apparatus 14 that indirectly heats the catalyst ink via the polymer electrolyte membrane 1 or the like.
  • the preliminary drying device 14 is provided separately.
  • the backup roll 12 may have the function of the preliminary drying device 14. In this case, the necessity of providing the preliminary drying device 14 can be eliminated. Further, when the backup roll 12 is provided with a heating function and the predrying device 14 is provided, the swelling of the polymer electrolyte membrane 1 can be quickly restored, and the manufacturing apparatus can be downsized. .
  • Table 1 shows the thickness variation of each catalyst layer formed by changing the time required for the preliminary drying step and the main drying step.
  • a hot plate was used as the preliminary drying device 14, and convection hot air drying was used as the main drying device 15.
  • the heating temperature of the preliminary drying device 14 was 60 ° C.
  • the heating temperature of the main drying device 15 was 90 ° C.
  • the total heating time of the preliminary drying device 14 and the main drying device 15 was 180 seconds.
  • the catalyst ink for forming the catalyst layer 4a on the first surface of the polymer electrolyte membrane 1 the following was used. That is, after adding 10 g of ion-exchanged water to 5 g of carbon black having an average particle diameter of 50 to 60 nm carrying 50% by weight of platinum having an average particle diameter of 3 nm, 10 g of an ethanol solution containing 91% by weight of perfluorocarbon sulfonic acid is added. The catalyst ink mixed while applying ultrasonic vibration was used.
  • the catalyst ink for forming the catalyst layer 4b on the second surface of the polymer electrolyte membrane 1 the following was used. That is, after adding 15 g of ion-exchanged water to 5 g of carbon black having an average particle diameter of 50 to 60 nm carrying 50 wt% of an alloy of platinum and ruthenium having an average particle diameter of 2 to 3 nm, 91% by weight of perfluorocarbon sulfonic acid is contained. 10 g of an ethanol solution was added, and the catalyst ink mixed while applying ultrasonic vibration was used.
  • the thickness variation of the catalyst layer 4a is almost the same regardless of whether or not the preliminary drying step is performed. This is considered to be because wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane were suppressed by attaching the first shape retaining film 2 to the second surface of the polymer electrolyte membrane 1.
  • the method and apparatus for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the present invention can further suppress the occurrence of wrinkles and pinholes in the polymer electrolyte membrane. It is useful as a manufacturing method and apparatus for a membrane-catalyst layer assembly provided in a fuel cell used as a driving source for a home cogeneration system or the like.

Abstract

　本発明の膜－触媒層接合体の製造方法は、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより抑えるため、高分子電解質膜の一方の面に塗布した触媒インクを、高分子電解質膜の他方の面側から加熱して予備乾燥することにより、高分子電解質膜の膨潤を元に戻し、当該予備乾燥後、高分子電解質膜の一方の面側から加熱して本乾燥することを含む。

Description

膜－触媒層接合体の製造方法及び装置
　本発明は、例えば、携帯型電子機器、自動車などの移動体、分散発電システム及び家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動電源として使用される燃料電池が備える膜－触媒層接合体の製造方法及び装置に関する。
　燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱と水とを同時に発生させる装置である。
　燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトやバンドなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。
　ＭＥＡは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層はそれぞれ、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。ここでは、高分子電解質膜と触媒層との接合体を膜－触媒層接合体（ＣＣＭ:Catalyst-coated membrane）という。前記アノード電極に燃料ガスが接触すると共に前記カソード電極に酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱と水とが発生する。
　前記のように構成される燃料電池において、膜－触媒層接合体は、例えば、次のようにして製造することができる。
　まず、高分子電解質膜の一方の面に第１形状保持フィルムを貼り付ける。次いで、高分子電解質膜の他方の面に、第１触媒層を形成する。さらにこの第１触媒層上に第２形状保持フィルムを貼り付ける。次いで、高分子電解質膜の一方の面に貼り付けられた第１形状保持フィルムを除去し、この一方の面に、第２触媒層を形成する。第１触媒層及び第２触媒層を形成する際には、触媒と溶剤を含む触媒インクを高分子電解質膜上に印刷又は塗布し、室温で放置して乾燥する（例えば、特許文献１参照）。
　前記のように、高分子電解質膜上に触媒インクを直接印刷又は塗布して膜－触媒層接合体を製造する技術は、高分子電解質膜と触媒層との界面抵抗を極めて低くすることができることから、理想的な膜－触媒層接合体の製造方法として注目されている。
　しかしながら、前記従来の製造方法においては、通常、高分子電解質膜が非常に薄く（例えば２０μｍ～５０μｍ）且つ少しの湿気でも変形し易い部材であるため、触媒インクに含まれる溶媒により膨潤し、当該膨潤により高分子電解質膜にシワやピンホールが発生するという課題がある。このようなシワやピンホールは、燃料電池の発電性能を低下させる要因となる。
　特許文献１は、高分子電解質膜の触媒インクを塗布する面とは反対側の面に形状保持フィルムを予め貼り付けることで、シワやピンホールの発生を抑えることを目的としている。
　特許文献２は、カバーを用いて吸引漏れを防ぎ、高分子電解質膜に対するローラの吸着力を向上させることにより、電解質・電極接合体の膨潤を抑えることを目的としている。
　特許文献３には、送風装置から空気の流れにより、塗膜の液体から溶媒を蒸発させ乾燥を促進する技術が開示されている。また、例えば、循環移動体の加熱と共に送風装置を使用して液体の乾燥を促進させることが開示されている。
特開２００２－２８９２０７号公報 特開２００８－２７７３８号公報 特開２００７－１９６０９２号公報
　しかしながら、上記従来の技術では、高分子電解質膜のシワやピンホールを抑えるという観点から、未だ改善の余地があった。
　特許文献１の技術では、触媒と溶剤を含む触媒インクを高分子電解質膜上に印刷又は塗布し、室温で放置して乾燥している。特に、高分子電解質膜の一方の面に第２触媒層を形成するときに、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生し易くなり、シワやピンホールを抑える効果は十分ではない。
　特許文献２の技術では、触媒インクの乾燥をローラによる高分子電解質膜を介した間接的な加熱のみで行うようにしているので、触媒インクの乾燥を十分に行うことが困難である。仮に触媒インクを完全に乾燥することができたとしても、その乾燥には数時間以上かかることが予想される。従って、触媒インクを完全に乾燥させることは、生産能力を考慮すると現実的には不可能であり、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生を十分に抑えることはできない。
　また、シワやピンホールの要因となる高分子電解質膜の膨潤は、特に、高分子電解質膜に触媒インクを塗布した直後に発生する。このため、触媒インクの塗布面側から送風して塗布直後の触媒インクを乾燥させる特許文献３の技術では、高分子電解質膜に膨潤が生じた状態で触媒インクの硬化が促進されることになる。従って、特許文献３の技術では、シワやピンホールの発生を十分に抑えることができない。
　従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより抑えることができる、膜電極接合体の製造方法及び装置を提供することにある。
　本発明の発明者らは、前記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見出した。
　すなわち、本発明の発明者らは、高分子電解質膜の一方の面に塗布した触媒インクを、高分子電解質膜の他方の面側から加熱（高分子電解質膜を介して間接的に加熱）して乾燥すると、高分子電解質膜に発生した膨潤を十分に元に戻すことができることを見出した。即ち、高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布すると、高分子電解質膜の一方の面から内部に向かって膨潤による寸法変化が起こる。この際、高分子電解質膜の他方の面側から加熱し、触媒インクを乾燥させると、高分子電解質膜の他方の面から内部に向かって熱が伝わり、高分子電解質膜の膨潤による寸法変化が緩和されることを見出した。また、本発明の発明者らは、前記膨潤を十分に元に戻した状態で、高分子電解質膜の一方の面側からさらに触媒層インクを加熱すると、高分子電解質膜のシワ及びピンホールがほとんどない膜－触媒層接合体が得られることを見出した。これらの知見に基づき、本発明の発明者らは、本発明に想到した。
　前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
　本発明の第１態様によれば、燃料電池用の膜－触媒層接合体の製造方法であって、
　高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布工程と、
　前記電解質膜の他方の面側から前記電解質膜を加熱して前記触媒インクを乾燥する第１乾燥工程と、
　前記第１乾燥工程後に、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する第２乾燥工程と、
　を含む、膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第２態様によれば、前記第２乾燥工程は、前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱することに加えて他方の面側からも加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する工程である、第１態様に記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第３態様によれば、前記触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面に形状保持フィルムを貼り付けるフィルム貼付工程をさらに含む、第１又は２態様に記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第４態様によれば、前記第２乾燥工程後に、前記電解質膜の他方の面に第２触媒インクを塗布する第２触媒塗布工程と、
　前記電解質膜の一方の面側から前記電解質膜を加熱して前記第２触媒インクを乾燥する第３乾燥工程と、
　前記第３乾燥工程後に、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱して前記第２触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層を形成する第４乾燥工程と、
　をさらに有する、第１態様に記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第５態様によれば、前記第４乾燥工程は、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱することに加えて一方の面側からも加熱して前記２触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層を形成する工程である、第４態様に記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第６態様によれば、前記第１触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面に第１形状保持フィルムを貼り付ける第１フィルム貼付工程と、
　前記第２触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の一方の面に第２形状保持フィルムを貼り付ける第２フィルム貼付工程と、
　前記第２フィルム貼付工程の後で且つ前記第２触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面から前記第１形状保持フィルムを剥離する第１フィルム剥離工程と、
　をさらに含む、第４又は５態様に記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第７態様によれば、前記第２乾燥工程において前記電解質膜に加える熱量は、前記第１乾燥工程において前記電解質膜に加える熱量よりも大きい、第１～６態様のいずれか１つに記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第８態様によれば、前記第２乾燥工程における前記電解質膜への加熱温度は、前記第１乾燥工程における前記電解質膜への加熱温度よりも高い、第１～６態様のいずれか１つに記載の膜－触媒層接合体の製造方法を提供する。
　本発明の第９態様によれば、燃料電池用の膜－触媒層接合体の製造装置であって、
　高分子電解質膜を搬送方向に搬送する搬送装置と、
　高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布装置と、
　前記触媒塗布装置よりも前記搬送方向の下流側に配置され、前記触媒インクを塗布された前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥する第１乾燥装置と、
　前記第１乾燥装置よりも前記搬送方向の下流側に配置され、前記第１乾燥装置を通過した前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する第２乾燥装置と、
　を有する、膜－触媒層接合体の製造装置を提供する。
　本発明の第１０態様によれば、前記第２乾燥装置は、前記第１乾燥装置を通過した前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱すると共に他方の面側からも加熱して前記触媒インクを乾燥する、第９態様に記載の膜－触媒層接合体の製造装置を提供する。
　本発明の第１１態様によれば、前記第２乾燥装置が前記電解質膜に加える熱量は、前記第１乾燥装置が前記電解質膜に加える熱量よりも大きい、第９又は１０態様に記載の膜－触媒層接合体の製造装置を提供する。
　本発明の第１２態様によれば、前記第２乾燥装置の加熱温度は、前記第１乾燥装置の加熱温度よりも高い、第９又は１０に記載の膜－触媒層接合体の製造装置を提供する。
　本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜の一方の面に塗布した触媒インクを、高分子電解質膜の他方の面側から加熱して乾燥するようにしているので、高分子電解質膜に発生した膨潤を十分に元に戻すことができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造方法によれば、第１乾燥工程後に、高分子電解質膜の一方の面側から加熱して触媒インクを乾燥するようにしているので、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生が抑えられた膜－触媒層接合体を得ることができる。
　本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造装置によれば、第１乾燥装置が触媒塗布装置よりも搬送方向の下流側に配置されているので、高分子電解質膜の一方の面に塗布された触媒インクを高分子電解質膜の他方の面側から加熱して乾燥し、高分子電解質膜に発生した膨潤を十分に元に戻すことができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造装置によれば、第２乾燥装置が第１乾燥装置よりも前記搬送方向の下流側に配置されているので、高分子電解質膜に発生した膨潤を元に戻した状態で触媒インクを高分子電解質膜の一方の面側から加熱して乾燥することができる。これにより、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生が抑えられた膜－触媒層接合体を得ることができる。
　本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造装置の概略説明図であり、 図２は、高分子電解質膜の第２面に第１形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図であり、 図３は、図２の状態からさらに、高分子電解質膜の第１面に第１触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図であり、 図４は、図３の状態からさらに、第１触媒層を形成した高分子電解質膜の第１面に第２形状保持フィルムを貼り付けた構造を有する高分子フィルムを示す断面図であり、 図５は、図４の状態から、第２形状保持フィルムを剥離した構造を有する高分子フィルムを示す断面図であり、 図６は、図５の状態からさらに、高分子電解質膜の第２面に第２触媒層を形成した構造を有する高分子フィルムを示す断面図である。
　本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　《実施形態》
　図１は、本発明の実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる膜－触媒層接合体は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に用いられるものである。
　図１において、本実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造装置は、供給ロール１１と、バックアップロール１２と、ダイ１３と、第１乾燥装置の一例である予備乾燥装置１４と、第２乾燥装置の一例である本乾燥装置１５と、巻取りロール１６とを備えている。
　供給ロール１１には、高分子フィルム１０が巻回されている。本実施形態において、高分子フィルム１０とは、図２～図６のいずれかに示す構造を有する高分子フィルム１０ａ～１０ｅをいう。図３に示すように高分子電解質膜１の第１面（一方の面）に触媒層４ａを形成する場合、供給ロール１１には、図２に示す構造を有する高分子フィルム１０ａが巻回される。すなわち、供給ロール１１には、シート状の高分子電解質膜１の第２面（他方の面）に第１形状保持フィルム２を貼り付けた構造を有する高分子フィルム１０ａが巻回される。また、図６に示すように高分子電解質膜１の第２面（一方の面）に触媒層４ｂを形成する場合、供給ロール１１には、図５に示す構造を有する高分子フィルム１０ｄが巻回される。すなわち、供給ロール１１には、シート状の高分子電解質膜１の第１面（他方の面）に触媒層４ａを覆うように第２形状保持フィルム３を貼り付けた構造を有する高分子フィルム１０ｄが巻回される。
　高分子電解質膜１としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（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）など）を使用することができる。高分子電解質膜１は、通常、非常に薄く且つ少しの湿気でも変形し易い部材である。このため、本実施形態においては、取扱い性の向上と高分子電解質膜のシワやピンホールの更なる抑制のため、高分子電解質膜１の第１面又は第２面に形状保持フィルム２又は３を貼り付けるようにしている。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、形状保持フィルム２又は３は必ずしも設ける必要はない。
　第１及び第２形状保持フィルム２，３としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、フッ素樹脂などを用いることができる。第１及び第２形状保持フィルム２，３は、ラミネート加工時に熱変形しない耐熱性を有するフィルムであればよい。
　供給ロール１１から引き出された高分子フィルム１０は、バックアップロール１２に懸架され、巻取りロール１６に巻き取られる。巻取りロール１６は、図示しないモータを備え、当該モータの駆動力により連続的に回転することで、高分子フィルム１０を連続的に巻き取る。本実施形態においては、後述するように高分子フィルム１０が供給ロール１１から引き出されて巻取りロール１６に巻き取られるまでの間に高分子電解質膜１の第１面（又は第２面）に触媒層４ａ（又は４ｂ）が形成されるようにしているので、膜－触媒層接合体の大量生産が可能である。なお、本実施形態においては、供給ロール１１と巻取りロール１６により、高分子電解質膜１を搬送方向Ｘに搬送する搬送装置の一例が構成されている。
　バックアップロール１２は、例えば、直径が３００ｍｍに設定された円柱形の部材である。なお、高分子電解質膜１に形状保持フィルム２又は３を貼り付けるようにしているので、バックアップロール１２に吸引機能を設ける必要はない。
　ダイ１３は、高分子フィルム１０を介してバックアップロール１２と対向する位置に配置されている。ダイ１３には、供給ポンプＰが接続されている。ダイ１３は、供給ポンプＰから供給された触媒層形成用の触媒インクを、高分子フィルム１０のバックアップロール１２と接触する部分に向けて吐出（塗布）可能に構成されている。本実施形態においては、ダイ１３と供給ポンプＰにより、高分子電解質膜１の第１面又は第２面に触媒インクを塗布する触媒塗布装置の一例が構成されている。
　触媒インクは、白金系金属触媒を担持したカーボン微粒子を溶媒で混合したインクである。金属触媒としては、例えば、プラチナ、ルテニウム、ロジウム及びイリジウムなどを用いることができる。カーボン粉末としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックなどを用いることができる。溶媒としては、水、エタノール、n-プロパノール及びn-ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系及びフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。白金系金属触媒インクの溶媒を乾燥することで、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする第１及び第２触媒層４ａ，４ｂを形成することができる。
　予備乾燥装置１４は、バックアップロール１２よりも搬送方向Ｘの下流側において、高分子フィルム１０の第２面（又は第１面）と対向するように配置されている。予備乾燥装置１４は、ダイ１３から高分子電解質膜１の第１面（又は第２面）に向けて吐出された触媒インクを、高分子電解質膜１の第２面（又は第１面）側から加熱して乾燥させる装置である。この予備乾燥装置１４による乾燥により、高分子電解質膜１に発生した膨潤を十分に元に戻すことが可能となる。予備乾燥装置１４としては、例えば、誘導加熱方式又は電磁波加熱方式の加熱装置、ホットプレート、遠赤外線ヒータなどを用いることができる。
　予備乾燥装置１４による加熱温度は、低過ぎると十分な乾燥が行えず、高過ぎると高分子電解質膜１にダメージを与えるおそれがあるため、例えば５０℃～１４０℃の範囲内で設定することが好ましい。
　予備乾燥装置１４による加熱時間は、高分子電解質膜１に発生した膨潤を十分に元に戻すという観点では、長いほど好ましく、例えば３０秒以上とすることが好ましい。但し、高分子フィルム１０を間欠送りではなく連続送りする場合、予備乾燥装置１４による加熱時間を長くするには、予備乾燥装置１４の長さを長くする必要がある。この場合、製造装置が大型化することになる。また、高分子フィルム１０の送り速度を遅くすることでも、予備乾燥装置１４による加熱時間を長くすることが可能である。しかしながら、この場合、膜－触媒層接合体の生産能力が低下することになる。従って、これらの点に留意して、予備乾燥装置１４による加熱時間を適切に設定することが好ましい。
　本乾燥装置１５は、予備乾燥装置１４よりも搬送方向Ｘの下流側において、高分子フィルム１０を包囲するように配置されている。本乾燥装置１５は、予備乾燥装置１４により乾燥された触媒インクを、高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から加熱して乾燥させる装置である。この本乾燥装置１５による乾燥により、触媒インクの溶媒が完全に乾燥して触媒層４ａ（又は４ｂ）が形成される。本乾燥装置１５としては、例えば、対流式熱風乾燥装置を用いることができる。
　本乾燥装置１５による加熱温度は、予備乾燥装置１４による加熱温度と同じか又は高いことが好ましい。これにより、予備乾燥装置１４による加熱により触媒インクの溶媒を十分に乾燥させることができなかったとしても、本乾燥装置１５による加熱により、触媒インクの溶媒の乾燥を促進させることができる。これにより、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生をより抑えることができる。また、製造工程にかかる時間を短縮することができ、膜－触媒層接合体の生産効率を向上させることができる。
　予備乾燥装置１４による加熱温度に対する本乾燥装置１５による加熱温度の比は、１．０～２．０であることが好ましい。例えば、予備乾燥装置１４による加熱温度は、５０℃～７０℃であることが好ましく、本乾燥装置１５による加熱温度は、５０℃～１４０℃であることが好ましい。
　また、本乾燥装置１５は、触媒インクを直接的に乾燥するため、高分子電解質膜１などを介して触媒インクを間接的に加熱する予備装置１４よりも乾燥能力が優れている。このため、本乾燥装置１５による加熱温度と予備乾燥装置１４による加熱温度とが同じか又は高い場合、本乾燥装置１５による加熱時間は、予備乾燥装置１４による加熱時間と同じか又は長いことが好ましい。すなわち、本乾燥装置１５の熱量が、予備乾燥装置１４の熱量と同じか又は大きいことが好ましい。
　予備乾燥装置１４の熱量に対する本乾燥装置１５の熱量の比は、１．０～２５．５であることが好ましい。また、予備乾燥装置１４の熱量に対する本乾燥装置１５の熱量の比は、１．０～１２．０であることがより好ましく、１．０～５．３であるとさらに好ましい。
　次に、本実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造方法について説明する。
　まず、高分子電解質膜１の第２面に第１形状保持フィルム２を貼り付けて、図２に示す高分子フィルム１０ａを作成する（第１フィルム貼付工程）。
　次いで、図２に示す高分子フィルム１０ａを供給ロール１１に巻回し、図１に示すように、バックアップロール１２に懸架されて巻取りロール１６に巻き取られるように高分子フィルム１０ａをセットする。
　次いで、巻取りロール１６のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１０ａを供給ロール１１から巻取りロール１６に向けて連続的に送る。
　次いで、前記送り動作によりバックアップロール１２上に位置した高分子フィルム１０ａに、触媒インクを供給ポンプＰからダイ１３を通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１の第１面に触媒インクが塗布される（触媒塗布工程）。
　次いで、前記送り動作により予備乾燥装置１４の上方に送られた触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ａを、予備乾燥装置１４により加熱する。これにより、高分子電解質膜１の第２面側から高分子電解質膜１が加熱されて触媒インクが乾燥され、高分子電解質膜１の膨潤が元に戻る（第１乾燥工程）。
　次いで、前記送り動作により本乾燥装置１５内に送られた触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ａを、本乾燥装置１５により加熱する。これにより、高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から高分子電解質膜１が加熱されて触媒インクが乾燥され、図３に示すように触媒層４ａが形成される（第２乾燥工程）。この後、継続して前記送り動作が行われることにより、図３に示す高分子フィルム１０ｂが巻取りロール１６に巻き取られる。
　次いで、巻取りロール１６に巻き取られた図３に示す高分子フィルム１０ｂの第２面に、図４に示すように第２形状保持フィルム３を貼り付ける（第２フィルム貼付工程）。
　次いで、図４に示す高分子フィルム１０ｃから第１形状保持フィルム２を剥離して、図５に示す高分子フィルム１０ｄを作成する（第１フィルム剥離工程）。
　次いで、図５に示す高分子フィルム１０ｄを供給ロール１１に巻回し、図１に示すように、バックアップロール１２に懸架されて巻取りロール１６に巻き取られるように高分子フィルム１０ｄをセットする。このとき、高分子電解質膜１がダイ１３に対して露出するように、高分子フィルム１０ｄをセットする。すなわち、高分子フィルム１０ｄの第２面がダイ１３と対向すると共に、高分子フィルム１０ｄの第１面が予備乾燥装置１４と対向するように、高分子フィルム１０をセットする。
　次いで、巻取りロール１６のモータ（図示せず）を駆動して、高分子フィルム１０ｄを供給ロール１１から巻取りロール１６に向けて連続的に送る。
　次いで、前記送り動作によりバックアップロール１２上に位置した高分子フィルム１０ｄに、触媒インクを供給ポンプＰからダイ１３を通じて吐出する。これにより、高分子電解質膜１の第２面に触媒インクが塗布される（第２触媒塗布工程）。
　次いで、前記送り動作により予備乾燥装置１４の上方に送られた触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ｄを、予備乾燥装置１４により加熱する。これにより、高分子電解質膜１の第２面側から高分子電解質膜１が加熱されて触媒インクが乾燥され、高分子電解質膜１の膨潤が元に戻る（第３乾燥工程）。
　次いで、前記送り動作により本乾燥装置１５内に送られた触媒インク塗布済みの高分子フィルム１０ｄを、本乾燥装置１５により加熱する。これにより、高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から高分子電解質膜１が加熱されて触媒インクが乾燥され、図６に示すように触媒層４ｂが形成される（第４乾燥工程）。この後、前記送り動作が継続して行われることにより、図６に示す高分子フィルム１０ｅが巻取りロール１６に巻き取られる。
　次いで、図６に示す高分子フィルム１０ｅから第２形状保持フィルム３を剥離することで、本実施形態にかかる膜－触媒層接合体を製造することできる。
　本実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜１の第１面に塗布した触媒インクを、高分子電解質膜１の第２面側から加熱して乾燥するようにしているので、高分子電解質膜１に発生した膨潤を十分に元に戻すことができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造方法によれば、第１乾燥工程後に、高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から加熱して触媒インクを乾燥するようにしているので、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生が抑えられた膜－触媒層接合体を得ることができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造方法によれば、図２～図６に示すように、第１形状保持フィルム２又は第２形状保持フィルム３の少なくともいずれかに一方に高分子電解質膜１が保持されるようにしているので、高分子電解質膜１のシワやピンホールの発生をより効果的に抑えることができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造装置によれば、予備乾燥装置１４が触媒インクを吐出するダイ１３よりも搬送方向Ｘの下流側に配置されているので、高分子電解質膜１の第１面に塗布された触媒インクを高分子電解質膜１の第２面側から加熱して乾燥し、高分子電解質膜１に発生した膨潤を十分に元に戻すことができる。
　また、本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造装置によれば、本乾燥装置１５が予備乾燥装置１４よりも搬送方向Ｘの下流側に配置されているので、高分子電解質膜１に発生した膨潤を元に戻した状態で触媒インクを高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から加熱して乾燥することができる。これにより、高分子電解質膜のシワやピンホールの発生が抑えられた膜－触媒層接合体を得ることができる。
　なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、本乾燥装置１５として、高分子電解質膜１の第１面及び第２面の両方から加熱して乾燥させる装置を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、本乾燥装置１５として、予備乾燥装置１４が乾燥する高分子電解質膜１の面とは反対側の面のみを乾燥させる装置を用いてもよい。例えば、本乾燥装置１５は、誘導加熱方式又は電磁波加熱方式の加熱装置、ホットプレート、遠赤外線ヒータなどであってもよい。このような装置であっても、触媒インクを直接的に乾燥するため、高分子電解質膜１などを介して触媒インクを間接的に加熱する予備装置１４よりも優れた乾燥能力を有する。
　また、前記では、予備乾燥装置１４を別途設けたが、バックアップロール１２に予備乾燥装置１４の機能を持たせるようにしてもよい。この場合、予備乾燥装置１４を設ける必要性を無くすことができる。また、バックアップロール１２に加熱機能を持たせると共に予備乾燥装置１４を設けた場合には、高分子電解質膜１の膨潤をより早く元に戻すことができ、製造装置の小型化を図ることができる。
　次に、本実施形態にかかる膜－触媒層接合体の製造方法による高分子電解質膜のシワ又はピンホールの抑制効果を検証した結果について説明する。下記表１には、予備乾燥工程と本乾燥工程とにかかる時間を変えて形成した各触媒層の厚みバラツキが示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ここでは、予備乾燥装置１４としてホットプレートを用い、本乾燥装置１５として対流式熱風乾燥を用いた。予備乾燥装置１４の加熱温度は６０℃とし、本乾燥装置１５の加熱温度は９０℃とした。予備乾燥装置１４及び本乾燥装置１５の加熱時間の合計は１８０秒とした。
　また、高分子電解質膜１の第１面の触媒層４ａを形成する触媒インクとして、次のものを用いた。すなわち、平均粒径３ｎｍの白金を５０重量％担持した平均粒径５０～６０ｎｍのカーボンブラック５ｇに、イオン交換水１０ｇを添加した後、パーフルオロカーボンスルホン酸を９１重量％含むエタノール溶液１０ｇを添加し、超音波振動を加えながら混合した触媒インクを用いた。
　また、高分子電解質膜１の第２面の触媒層４ｂを形成する触媒インクとして、次のものを用いた。すなわち、平均粒径２～３ｎｍの白金とルテニウムの合金を５０重量％担持した平均粒径５０～６０ｎｍのカーボンブラック５ｇに、イオン交換水１５ｇを添加した後、パーフルオロカーボンスルホン酸を９１重量％含むエタノール溶液１０ｇを添加し、超音波振動を加えながら混合した触媒インクを用いた。
　また、触媒層４ａ又は４ｂの厚みバラツキは、幅方向に３点、長さ方向に１０点の合計３０点（＝３×１０）について計測した。
　表１より、高分子電解質膜１の第１面の触媒層４ａに関しては、予備乾燥工程を行うか否かに関わらず、触媒層４ａの厚みバラツキはほぼ同じであることが分かる。これは、高分子電解質膜１の第２面に第１形状保持フィルム２を貼り付けることにより、高分子電解質膜のシワやピンホールが抑えられたためと考えられる。
　また、表１より、高分子電解質膜１の第２面の触媒層４ｂに関しては、予備乾燥工程の時間を長くする程、触媒層４ｂの厚みのバラツキが抑えられることが分かる。特に、予備乾燥工程を３０秒以上行った場合には、触媒層４ｂの厚みのバラツキの抑制効果が高いことが分かる。
　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
　２０１０年２月１０日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１０－０２７５５４号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
　本発明にかかる膜－触媒層接合体の製造方法及び装置は、高分子電解質膜にシワやピンホールが発生することをより抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池が備える膜－触媒層接合体の製造方法及び装置として有用である。
　　１　　高分子電解質膜
　　２　　第１形状保持フィルム
　　３　　第２形状保持フィルム
　　４ａ，４ｂ　触媒層
　１０　　高分子フィルム
　１１　　供給ロール
　１２　　バックアップロール
　１３　　ダイ
　１４　　予備乾燥装置（第１乾燥装置）
　１５　　本乾燥装置（第２乾燥装置）
　１６　　巻取りロール
　　Ｐ　　供給ポンプ

Claims (12)

  1. 　燃料電池用の膜－触媒層接合体の製造方法であって、
    　高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布工程と、
    　前記電解質膜の他方の面側から前記電解質膜を加熱して前記触媒インクを乾燥する第１乾燥工程と、
    　前記第１乾燥工程後に、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する第２乾燥工程と、
    　を含む、膜－触媒層接合体の製造方法。
  2. 　前記第２乾燥工程は、前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱することに加えて他方の面側からも加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する工程である、請求項１に記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  3. 　前記触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面に形状保持フィルムを貼り付けるフィルム貼付工程をさらに含む、請求項１又は２に記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  4. 　前記第２乾燥工程後に、前記電解質膜の他方の面に第２触媒インクを塗布する第２触媒塗布工程と、
    　前記電解質膜の一方の面側から前記電解質膜を加熱して前記第２触媒インクを乾燥する第３乾燥工程と、
    　前記第３乾燥工程後に、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱して前記第２触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層を形成する第４乾燥工程と、
    　をさらに有する、請求項１に記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  5. 　前記第４乾燥工程は、前記電解質膜を当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱することに加えて一方の面側からも加熱して前記２触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の他方の面に第２触媒層を形成する工程である、請求項４に記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  6. 　前記第１触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面に第１形状保持フィルムを貼り付ける第１フィルム貼付工程と、
    　前記第２触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の一方の面に第２形状保持フィルムを貼り付ける第２フィルム貼付工程と、
    　前記第２フィルム貼付工程の後で且つ前記第２触媒塗布工程の前に、前記電解質膜の他方の面から前記第１形状保持フィルムを剥離する第１フィルム剥離工程と、
    　をさらに含む、請求項４又は５に記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  7. 　前記第２乾燥工程において前記電解質膜に加える熱量は、前記第１乾燥工程において前記電解質膜に加える熱量よりも大きい、請求項１～６のいずれか１つに記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  8. 　前記第２乾燥工程における前記電解質膜への加熱温度は、前記第１乾燥工程における前記電解質膜への加熱温度よりも高い、請求項１～６のいずれか１つに記載の膜－触媒層接合体の製造方法。
  9. 　燃料電池用の膜－触媒層接合体の製造装置であって、
    　高分子電解質膜を搬送方向に搬送する搬送装置と、
    　高分子電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布する触媒塗布装置と、
    　前記触媒塗布装置よりも前記搬送方向の下流側に配置され、前記触媒インクを塗布された前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の他方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥する第１乾燥装置と、
    　前記第１乾燥装置よりも前記搬送方向の下流側に配置され、前記第１乾燥装置を通過した前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱して前記触媒インクを乾燥し、前記電解質膜の一方の面に触媒層を形成する第２乾燥装置と、
    　を有する、膜－触媒層接合体の製造装置。
  10. 　前記第２乾燥装置は、前記第１乾燥装置を通過した前記電解質膜を、当該高分子電解質膜の一方の面側から加熱すると共に他方の面側からも加熱して前記触媒インクを乾燥する、請求項９に記載の膜－触媒層接合体の製造装置。
  11. 　前記第２乾燥装置が前記電解質膜に加える熱量は、前記第１乾燥装置が前記電解質膜に加える熱量よりも大きい、請求項９又は１０に記載の膜－触媒層接合体の製造装置。
  12. 　前記第２乾燥装置の加熱温度は、前記第１乾燥装置の加熱温度よりも高い、請求項９又は１０に記載の膜－触媒層接合体の製造装置。
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