JP2006012525A - 膜・電極接合体の製造方法および装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】塗工液の消費が少なくて生産効率のよい膜・電極接合体の製造方法および装置の提供。
【解決手段】電解質膜10の表裏両面に相対向する一対の触媒層（電極）12A，12bが積層する膜・電極接合体の製造方法で、複数のロールに掛け回して搬送する電解質膜10の一方の面に、塗工ヘッド114で第1触媒層形成用の塗工液を塗工する第1工程100と、さらに電解質膜10の他方の面に、塗工ヘッド214で第2触媒層形成用の塗工液を塗工する第2工程200を備え、電解質膜10を、その表裏両面に剥離可能マスク14，16が接合され、マスク14，16には中央の電解質膜10を挟み相対向し第1，第2触媒層12a,bに対応する開口15,16が所定ピッチで設けられたマスク接合膜Uで構成し、それぞれの工程後に使用済みマスク14,16を剥離すると、電解質膜10の表裏面には第1,第2触媒層12a,bが所定ピッチで形成される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる膜・電極接合体の製造方法および装置に関する。

水素・酸素燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり、地球環境への影響がほとんどない発電システムとして注目されており、特に、近年の研究により、固体高分子型燃料電池の実用化が大いに期待されている。

固体高分子型燃料電池は、図１０に示すように、ガス拡散性の電極を構成する触媒層２ａ，２ｂを電解質膜１の表裏両面に接合した膜・電極接合体のアノード側Ａに燃料ガスが、カソード側Ｂに酸素を含む酸化ガスがそれぞれ供給されて反応し出力する構造で、この膜・電極接合体を製造するには、触媒を含む塗工液を電解質膜に塗布して乾燥する方法が知られている。

そして、下記特許文献１には、膜・電極接合体の製造方法として、図１１に示す方法が開示されており、ガイドロール３ａ，３ｂやサポートロール４ａ〜４ｄを備えた所定幅の帯状基材フィルム５の搬送ラインにおいて、まず第１の塗工ヘッド６ａにより第１の触媒層２ａ形成用の塗工液を基材フィルム５に塗工し、次いで第２の塗工ヘッド６ｂにより電解質膜１形成用の塗工液を第１の触媒層２ａ上に塗工し、さらに第３の塗工ヘッド６ｃにより第２の触媒層２ｂ形成用の塗工液を電解質膜１上に塗工した後に、基材フィルム５を剥離することで、表裏両面に触媒層（電極）２ａ，２ｂを接合一体化した帯状の膜・電極接合体を製造できる。そして、帯状の膜・電極接合体を所定の大きさの膜・電極接合体ピースに切断してするとともに、該ピースの触媒層の周縁部を剥離して、ピース周縁部にガスケット配設用のスペース１ａ，１ｂ（図１０参照）を形成する。
再公表特許（ＷＯ ０２／００５３７１）

しかし、前記した方法では、電解質膜の表裏両面に触媒層が連続して形成された帯状の膜・電極接合体を製造できるが、その後に剥離除去する触媒層も塗工されるように構成されており、それだけ高価な触媒層形成用の塗工液の消費量が多く、膜・電極接合体の製造コストがかさむ一因となっていた。即ち、触媒層（形成用の塗工液中）には、高価な白金が含まれており、触媒層形成用の塗工液はできるだけ無駄なく使用することが望しい。

そこで、塗工液を無駄に消費しない製造方法が提案された。これは、図１２，１３に示すように、予め所定の大きさ（例えば、３００×３００ｍｍ）に形成した電解質膜１を、開口部にメッシュ層８ａが設けられた矩形枠状の吸着板８上に載置して負圧で吸着保持する。そして、所定の開口７ａが形成された矩形枠状の粘着シートで構成した塗装マスク７を電解質膜１の周縁部を含む所定位置に貼付し、上方に配置した第１の塗工ヘッド６ｄを使って、塗装マスク７の開口７ａに第１の触媒層２ａ形成用の塗工液を塗工する。符号９は、温水が循環するホットプレート９で、吸着板８を載置できるように構成されている。第１の触媒層（塗工膜）２ａが乾燥した後にマスク７を剥がし、塗工膜２ａが下となるように電解質膜１を反転させ、再び別の塗装マスク７を電解質膜１の周縁部を含む所定位置に貼付し、前記した第１の触媒層２ａを形成する場合と同様の手順で、第２の塗工ヘッド６ｄ（図示せず）を使用して塗装マスク７の開口７ａに第２の触媒層２ｂ形成用の塗工液を塗工する。そして、第２の触媒層（塗工膜）２ｂが乾燥した段階でマスク７を剥がせば、電解質膜１の表裏両面に触媒層（電極）２ａ，２ｂが接合一体化された膜・電極接合体が製造される。

しかし、この第２の製造方法では、マスク７の開口７ａを予め触媒層（電極）２ａ，２ｂの大きさに整合する大きさに形成しておくことで、塗工液を無駄に消費することはないが、マスク７の貼付作業および剥離作業を人が手作業で行うため、生産効率が非常に悪く、膜・電極接合体の低コスト化を実現できない、という別の問題がある。

特に、第１，第２の塗工作業の際に使用するマスク７を電解質膜１に対し正確に相対向させて貼付することが困難なため、電解質膜の表裏両面に相対向するように形成された触媒層（電極）２ａ，２ｂの大きさや位置が微妙に異なる場合があって、歩留まりが非常に悪い。歩留まりが悪い点については、前記した特許文献１の方法においても、膜・電極接合体ピースの表裏両面における触媒層の周縁部を同一幅だけ正確に剥離することは困難なため、同様である。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高価な塗工液を無駄に消費せず、生産効率の向上につながる膜・電極接合体の製造方法および装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る膜・電極接合体の製造方法においては、電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体の製造方法において、
複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、第１の塗工ヘッドにより第１の触媒層形成用の塗工液を塗工する第１の塗工工程と、
前記第１の塗装工程を経た電解質膜の他方の面に、第２の塗工ヘッドにより第２の触媒層形成用の塗工液を塗工する第２の塗工工程とを備え、
前記電解質膜を、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成し、
前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、
前記第１の塗工工程後の第２の塗工工程前に、第１の塗工工程で使用した使用済みマスクを剥離し、第２の塗工工程後に、第２の塗工工程で使用した使用済みマスクを剥離するように構成した。

前記目的を達成するために、請求項５に係る膜・電極接合体の製造装置においては、電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する装置において、
複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、第１の塗工ヘッドにより第１の触媒層形成用の塗工液を塗工する第１の塗工工程と、
前記第１の塗装工程を経た電解質膜の他方の面に、第２の塗工ヘッドにより第２の触媒層形成用の塗工液を塗工する第２の塗工工程とを備え、
前記電解質膜を、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成し、
前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、
前記第１，第２の塗工工程では、前記マスク接合膜をそれぞれの回転ドラム外周の吸着保持面で真空吸着保持して、前記第１，第２の塗工ヘッドにより塗工液をマスクの所定の開口にそれぞれ塗工するとともに、
前記第１，第２の回転ドラムからそれぞれ送出された塗工処理後のマスク接合膜からそれぞれの使用済みマスクをマスク巻取りドラムで巻き取るように構成した。

（請求項１，５の作用） 第１の塗工工程では、（請求項５における第１の回転ドラムに吸着保持されている）マスク接合膜における第１のマスクの開口に第１の触媒層形成用の塗工液が塗工された後に、使用済みマスク（第１のマスク）が（請求項５における第１のマスク巻取りドラムに巻き取られて）剥離されると、剥離された第１のマスクの開口に対応する大きさの塗工膜が電解質膜に取り残されて、電解質膜の片面（第１の塗工処理面）に第１の触媒層が所定ピッチで形成された形態となる。さらに、第２の塗工工程では、（請求項５における第２の回転ドラムに吸着保持されている）マスク接合膜における第２のマスクの開口に第２の触媒層形成用の塗工液が塗工された後に、使用済みマスク（第２のマスク）が（請求項５における第２のマスク巻取りドラムに巻き取られて）剥離されると、剥離された第２のマスクの開口に対応する大きさの塗工膜が電解質膜に取り残されて、電解質膜の他の面（第２の塗工処理面）に第２の触媒層が所定ピッチで形成された形態（電解質膜の表裏両面に触媒層が所定ピッチで形成された形態）となる。

特に、マスク接合膜の電解質膜を挟んで相対対向する第１のマスクの開口と第２のマスクの開口とは予め高精度に一致しているので、塗工工程後にそれぞれのマスクが剥離されることで電解質膜を挟んで相対向するように形成された第１，第２の触媒層は、その大きさ及び位置が高精度に一致した形態となる。

また、請求項１では、第１，第２の塗工工程の処理速度に連係してマスク接合膜を間欠搬送するので、第１の塗工工程と第２の塗工工程を一つのラインにおいて連続して行うことができ、請求項５では、第１，第２の塗工工程におけるそれぞれの回転ドラムにマスク接合膜を真空吸着保持させて第１の塗工工程と第２の塗工工程が連続するようにマスク接合膜を間欠搬送させるので、電解質膜の表裏両面への触媒層形成工程の自動化が可能となる。

また、請求項２に係る方法（請求項６に係る装置）においては、請求項１に記載の膜・電極接合体の製造方法（請求項５に記載の膜・電極接合体の製造装置において、前記マスクを吸液性に優れた紙で構成することが望ましい。

（請求項２，６の作用） 第１，第２の塗工工程においてマスクの開口外にはみ出た塗工液は、吸液性に優れた紙製のマスクに吸い取られて、マスクの開口内に正確に塗工膜が形成される。

また、請求項３に係る方法においては、請求項１または２に係る膜・電極接合体の製造方法において、前記第１の塗工工程および第２の塗工工程では、前記マスク接合膜を該マスク接合膜よりも幅広の吸液性に優れた下地紙上に積層させた形態で塗工することが望ましい。

また、請求項７に係る装置においては、請求項５または６に係る膜・電極接合体の製造装置において、前記第１の塗工工程および第２の塗工工程におけるそれぞれの回転ドラムのマスク接合膜送入側及び送出側に、下地紙巻き出しドラムおよび下地紙巻き取りドラムをそれぞれ設け、前記下地紙巻き出しドラムに支持された下地紙コイルから巻き出された、前記マスク接合膜より幅広の吸液性に優れた下地紙が、前記マスク接合膜と積層する形態で前記回転ドラムに捲回された後、前記下地紙巻き取りドラムに巻き取られるように構成することが望ましい。

（請求項３，７の作用） 第１，第２の塗工工程において、マスク幅を超えてはみ出た塗工液は幅広の吸液性に優れた下地紙に吸い取られるので、塗工設備や製造される膜・電極接合体はそれだけ塗工液によって汚れるおそれがない。

特に、請求項７では、下地紙は、回転ドラムを挟んで設けられた下地紙巻き出しドラムおよび下地紙巻き取りドラム間に介装されているので、塗工ラインにおいて下地紙が邪魔になることもない。

また、請求項４に係る方法によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の膜・電極接合体の製造方法において、前記第１，第２の塗工工程を真空雰囲気下において行うことが望ましい。

また、請求項８に係る装置によれば、請求項５〜７のいずれかに記載の膜・電極接合体の製造装置において、前記第１，第２の塗工工程における回転ドラムおよび塗工ヘッドを、それぞれ真空チャンバ内に配置するとともに、前記それぞれの回転ドラム内に加熱手段を設けるように構成することが望ましい。

（請求項４，８の作用） 塗工工程では一般に塗工膜を加熱する乾燥処理を行うが、真空雰囲気下において加熱するので、大気下で加熱する場合よりも塗工膜の乾燥処理時間が短縮する。

請求項９に係る膜・電極中間接合体の製造方法においては、電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する過程で、前記第１または第２の触媒層のいずれか一方を前記電解質膜に接合一体化した膜・電極中間接合体を製造する方法において、
複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に塗工ヘッドにより触媒層形成用の塗工液を塗工する塗工工程を備え、
前記電解質膜を、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成し、前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、前記塗工工程後に使用済みマスクを剥離するように構成した。

請求項１０に係る膜・電極中間接合体の製造装置においては、電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する過程で、前記第１または第２の触媒層のいずれか一方を前記電解質膜に接合一体化した膜・電極中間接合体を製造する装置において、
複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、塗工ヘッドにより触媒層形成用の塗工液を塗工する塗工工程を備え、
前記電解質膜を、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成し、前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、前記塗工工程では、前記マスク接合膜が回転ドラム外周の吸着保持面で真空吸着保持されて、前記塗工ヘッドにより塗工液がマスクの所定の開口に塗工されるように構成するとともに、前記回転ドラムから送出された塗工処理後のマスク接合膜から使用済みマスクをマスク巻取りドラムで巻き取るように構成した。

（請求項９，１０の作用） 塗工工程において（請求項１０における回転ドラムに吸着保持されている）マスク接合膜におけるマスクの開口に触媒層形成用の塗工液が塗工された後に、使用済みマスクが（請求項１０におけるマスク巻取りドラムに巻き取られて）剥離されると、剥離されたマスクの開口に対応する大きさの塗工膜が電解質膜に取り残されて、電解質膜の片面（塗工処理面）に触媒層が所定ピッチで形成された形態（膜・電極中間接合体）となる。

そして、請求項９の方法（請求項１０の装置）によって製造された膜・電極中間接合体に、請求項９の方法（請求項１０の装置）を再度適用することで、電解質膜の他の面にも触媒層が所定ピッチで形成された形態となる。即ち、膜・電極中間接合体のマスクの開口に触媒層形成用の塗工液が塗工された後に、使用済みマスクが（マスク巻取りドラムに巻き取られて）剥離されると、剥離されたマスクの開口に対応する大きさの塗工膜が電解質膜に取り残されて、電解質膜の他の面にも触媒層が所定ピッチで形成された形態（電解質膜の表裏両面に触媒層が所定ピッチで形成された形態）となる。

請求項１に係る膜・電極接合体の製造方法（請求項５に係る膜・電極接合体の製造装置）によれば、触媒層形成用の塗工液は電極に対応するマスクの開口面積相当量だけが使用されるので、塗工液が無駄に消費されず、しかも電解質膜の表裏両面への触媒層の形成工程を自動化できるので、電解質膜を挟んで第１，第２の電極（触媒層）が正確に相対向する膜・電極接合体の製造コストを著しく低減することができる。

請求項２に係る方法（請求項６に係る装置）によれば、マスクの開口内に正確に塗工膜が形成されるとともに、塗工工程後のマスクの剥離も容易となるので、設計値どおりの大きさの触媒層（電極）を備えた膜・電極接合体を製造できる。

請求項３に係る方法（請求項７に係る装置）によれば、塗工設備や製造される膜・電極接合体が塗工液で汚れるおそれがないので、それだけ製造する膜・電極接合体の歩留まりが向上する。

請求項４に係る方法（請求項８に係る装置）によれば、塗工工程における塗工膜の乾燥処理時間が短くなる分、膜・電極接合体の製造工程に要する時間が短縮されて、膜・電極接合体の生産効率がさらに向上する。

請求項９に係る方法（請求項１０に係る装置）によれば、請求項１に係る方法（請求項５に係る装置）によって製造する膜・電極接合体の中間製造物である膜・電極中間接合体を簡単に製造できる。

また、製造された膜・電極中間接合体に請求項９に係る方法（請求項１０に係る装置）を再度適用することで、塗工液を無駄に消費することなく、電解質膜を挟んで第１，第２の電極（触媒層）が正確に相対向する膜・電極接合体を製造できる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は第１の本発明に係る膜・電極接合体の製造方法および装置の一実施例を示し、図１は膜・電極接合体の製造方法（装置）の一実施例によって製造された膜・電極接合体の縦断面図、図２は同実施例方法（装置）に使用されるマスク接合膜の斜視図、図３は同マスク接合膜の断面図、図４は同実施例方法（装置）によって製造された帯状の膜・電極接合体の斜視図、図５は同実施例装置の全体構成図、図６は第１の塗工工程を説明する工程説明図、図７は第２の塗工工程を説明する工程説明図である。

図１において、符号Ｐは、縦横所定寸法の平面視矩形状の電解質膜１０の表裏両面にガス拡散性の電極を構成する触媒層１２ａ，１２ｂが接合一体化された固体高分子型燃料電池用の膜・電極接合体で、同電極接合体Ｐのアノード側Ａに燃料ガスが、カソード側Ｂに酸素を含む酸化ガスがそれぞれ供給されて反応し出力する構造である。符号１０ａ，１０ｂは、電解質膜１０の側縁部に沿って形成されたガスケット配設用の電極非形成領域である。

以下、この膜・電極接合体Ｐを製造する方法および装置について、図２〜７を参照して説明する。

図２，３における符号Ｕ１は、所定幅の帯状の電解質膜１０の表裏両面に剥離可能な吸液性に優れた紙で構成したマスク１４，１６がそれぞれ接合一体化された接合体（以下、マスク接合膜という）で、それぞれの帯状のマスク１４，１６には中央の電解質膜１０を挟んで相対向し第１，第２の電極である触媒層１２ａ，１２ｂ（図１参照）に対応する開口１５，１７が所定ピッチで形成されている。なお、電解質膜１０とマスク１４，１６との剥離可能な接合構造としては、これら１０，１４，１６が接着剤を介して接合されており、マスク１４，１６を剥がすと接着剤がマスク１４，１６と一体となって電解質膜１０から剥がれて、電解質膜１０には接着剤が残存しないことが望ましい。

そして、このマスク接合膜Ｕ１が複数のロールに掛け回されて搬送されることで、第１の塗工工程１００により電解質膜１０の一方の面に第１の触媒層１２ａ形成用の白金を含む塗工液が塗工され、さらに第２の塗工工程２００により電解質膜１０の他方の面に第２の触媒層１２ｂ形成用の白金を含む塗工液が塗工されて、図４に示すように、帯状の電解質膜１０の表裏両面にマスク１４，１６の開口１５，１７に対応する大きさの触媒層１２ａ，１２ｂが所定ピッチで形成された帯状の膜・電極接合体Ｕ２が製造されるようになっている。

図５において、符号１１０は、回転ドラム１１２および塗工ヘッド１１４を内部に備えた第１の真空チャンバ、符号１１１は、真空チャンバ１１０内を所定の真空雰囲気にするための真空ポンプである。符号１０２は、マスク接合膜Ｕ１を捲回したマスク接合膜コイルＣ１を支持するマスク接合膜巻き出しドラム、符号Ｍ１０２は、マスク接合膜巻き出しドラム１０２駆動用のモータである。符号１０４は、下地紙２０を捲回した下地紙コイルＣ２を支持する下地紙巻き出しドラム、符号Ｍ１０４は、下地紙巻き出しドラム１０４駆動用のモータで、下地紙２０は、マスク接合膜Ｕ１よりも幅広で、吸液性に優れた紙で構成されている。そして、マスク接合膜コイルＣ１および下地紙コイルＣ２からそれぞれ巻き出されたマスク接合膜Ｕ１（図６（ａ）参照）および下地紙２０は、ガイドロール１０６ａを経て積層する形態（図６（ｂ）参照）となって真空チャンバ１１０内の回転ドラム１１２に送られる。

回転ドラム１１２の外周にはメッシュ構造の吸着保持面１１２ａが設けられ、ドラム１１２内部に発生する負圧によって、回転ドラム１１２に捲回された下地紙２０およびマスク接合膜Ｕ１が吸着保持面１１２ａに一体に吸着保持されて、塗工ヘッド１１４による塗工液の塗工が行われる。符号１１３は、回転ドラム１１２の吸着保持面１１２ａ内側に負圧を発生させる真空ポンプである。

塗工ヘッド１１４は、駆動モータＭ１１４の駆動により、帯状のマスク接合膜Ｕ１の幅方向（図５紙面垂直方向）に移動して、静止している帯状のマスク接合膜Ｕ１におけるマスク１４の所定の開口１５領域全幅に亘って塗工液を塗布できるように構成されており、この塗工ヘッド１１４の移動（幅方向の走行）と回転ドラム１１２の所定微小角度の間欠回動が繰り返されて、開口１５の全域に第１の触媒層１２ａ形成用の塗工液が塗工される。塗工ヘッド１１４によるマスク１４の開口１５への塗工が終了すると、モータＭ１１２が駆動して回転ドラム１１２が所定角度だけ（後続の開口１５が塗工ヘッド１１４に正対する所定位置まで）回動し、同様にして後続の開口１５に第１の触媒層１２ａ形成用の塗工液が塗工されることになる。

また、塗工ヘッド１１４による塗工範囲は、マスク１４の開口１５内における塗り残しがないように、マスク１４の開口１５面積よりも幾分大きめに設定されているため、塗工液はマスク１４の開口１５外にはみ出すことになるが、はみ出た塗工液は吸液性に優れた紙製のマスク１４に吸い取られるので、塗工工程後のマスク１４の剥離が困難となったり、マスク１４の開口１５に整合しない大きさの触媒層（電極）が形成されるおそれはない。

さらに、塗工工程においてマスク接合膜Ｕ１と積層する下地紙２０は、マスク接合膜Ｕ１より幅広で吸液性に優れた紙で構成されているので、たとえマスク１４（マスク接合膜Ｕ１）の幅を超えた塗工処理が行われても、はみ出た塗工液は幅広の吸液性に優れた下地紙２０に吸い取られるので、回転ドラム１１２やガイドロール１０６ｂ等の塗工設備や製造される膜・電極接合体Ｕ１’(図６（ｅ）参照）が第１の塗工液によって汚れることもない。

また、回転ドラム１１２内には、塗工処理した塗工膜を乾燥させるための図示しない加熱手段（例えば、約８０℃の水の循環路）が設けられている。さらに真空チャンバ１１０内は、真空ポンプ１１１により所定の真空度が確保されて、加熱手段だけを設けた構造に比べて塗工膜の乾燥に要す時間が著しく短縮されている。図６（ｃ）は、真空チャンバ１１０から送出されたマスク接合膜・下地紙積層体の断面を示し、マスク１４の開口１５には、第１の触媒層１２ａを構成する塗工膜が形成されている。

符号１０５は、真空チャンバ１１０のマスク接合膜送出側近傍に設けられて、塗工処理されたマスク接合膜・下地紙積層体から下地紙２０を巻き取る下地紙巻き取りドラム、符号１０３は、塗工処理されたマスク接合膜Ｕ１から塗工処理に用いた使用済みマスク１４を巻き取って剥離するマスク巻き取りドラム、符号Ｍ１０３，Ｍ１０５は、巻き取りドラム１０３，１０５の駆動モータで、巻き出しドラム１０２，１０４および巻き取りドラム１０３，１０５は、回転ドラム１１２の回転に連係して間欠回転する。

即ち、真空チャンバ１１０から送出された塗工処理後のマスク接合膜・下地紙積層体（図６（ｃ）参照）から、下地紙巻き取りドラム１０５により下地紙２０を巻き取ると、図６（ｄ）に示すように、塗工処理されたマスク接合膜Ｕ１となり、さらにガイドロール１０６ｃを経てマスク巻き取りドラム１０３により使用済みマスク（第１のマスク）１４を巻き取ると、図６（ｅ）に示すように、第１のマスク１４の開口１５に対応する大きさの塗工膜が電解質膜１０に取り残されて、電解質膜１０の片面に第１の触媒層１２ａが所定ピッチで形成された形態のマスク接合膜Ｕ１’となって、第１の塗工工程１００が終了する。第１の塗工処理が終了したマスク接合膜Ｕ１’は、ガイドロール１０６ｄ，１０６ｅを経て、他の面に第２の触媒層１２ｂを形成する第２の塗工工程２００に送出される。

図５において、符号２１０は、回転ドラム２１２および塗工ヘッド２１４を内部に備えた第２の真空チャンバ、符号２１１は、真空チャンバ２１０内を所定の真空雰囲気にするための真空ポンプである。符号２０４は、下地紙２０を捲回した下地紙コイルＣ３を支持する下地紙巻き出しドラムで、符号Ｍ２０４は、下地紙巻き出しドラム２０４駆動用のモータである。下地紙２０は、マスク接合膜Ｕ１’よりも幅広で、吸液性に優れた紙で構成されている。そして、第１の塗工工程１００によって塗工処理されて電解質膜１０の片面に第１の触媒層１２ａが所定ピッチで形成されたマスク接合膜Ｕ１’（第６図（ｅ参照））は、下地紙コイルＣ３から巻き出した下地紙２０とともにガイドロール１０６ｆを経ることで、両者Ｕ１’、２０が図７（ｆ）に示すように積層する形態となって、真空チャンバ２１０内の回転ドラム２１２に送られる。

回転ドラム２１２の外周にはメッシュ構造の吸着保持面２１２ａが設けられ、ドラム２１２内部に発生する負圧によって、回転ドラム２１２に捲回された下地紙２０およびマスク接合膜Ｕ１’が吸着保持面２１２ａに一体に吸着保持されて、塗工ヘッド２１４による塗工液の塗工が行われる。符号２１３は、回転ドラム２１２の吸着保持面２１２ａ内側に負圧を発生させる真空ポンプである。

塗工ヘッド２１４は、駆動モータＭ２１４の駆動により、帯状のマスク接合膜Ｕ１’の幅方向（図５紙面垂直方向）に移動して、静止している帯状のマスク接合膜Ｕ１’におけるマスク１６の所定の開口１７領域全幅に亘って塗工液を塗布できるように構成されており、この塗工ヘッド２１４の移動（幅方向の走行）と回転ドラム２１２の所定微小角度の間欠回動が繰り返されて、開口１７の全域に第２の触媒層１２ｂ形成用の塗工液が塗工される。塗工ヘッド２１４によるマスク１６の開口１７への塗工が終了すると、モータＭ２１２が駆動して回転ドラム２１２が所定角度だけ（後続の開口１７が塗工ヘッド２１４に正対する所定位置まで）回動し、同様にして後続の開口１７に第２の触媒層１２ｂ形成用の塗工液が塗工されることになる。

また、塗工ヘッド２１４による塗工範囲は、マスク１６の開口１７内における塗り残しがないように、マスク１６の開口１７面積よりも幾分大きめに設定されているため、塗工液はマスク１６の開口１７外にはみ出すことになるが、はみ出た塗工液は吸液性に優れた紙製のマスク１６に吸い取られるので、塗工工程後のマスク１６の剥離が困難となったり、マスク１６の開口１７に整合しない大きさの触媒層（電極）が形成されるおそれはない。

さらに、塗工工程においてマスク接合膜Ｕ１’と積層する下地紙２０は、マスク接合膜Ｕ１’より幅広で吸液性に優れた紙で構成されているので、たとえマスク１６（マスク接合膜Ｕ１’）の幅を超えた塗工処理が行われても、はみ出た塗工液は幅広の吸液性に優れた下地紙２０に吸い取られるので、回転ドラム２１２やガイドロール１０６ｇ等の塗工設備や製造される膜・電極接合体Ｕ２が第２の塗工液によって汚れることもない。

また、回転ドラム２１２内には、塗工処理した塗工膜を乾燥させるための図示しない加熱手段（例えば、約８０℃の水の循環路）が内蔵されている。さらに真空チャンバ２１０内は真空ポンプ２１１により所定の真空度が確保されて、加熱手段だけを設けた構造に比べて塗工膜の乾燥に要す時間が著しく短縮されている。図７（ｇ）は、真空チャンバ２１０から送出されたマスク接合膜・下地紙積層体の断面を示し、マスク１６の開口１７には、第２の触媒層１２ｂを構成する塗工膜が形成されている。

符号２０５は、真空チャンバ２１０のマスク接合膜送出側近傍に設けられて、塗工処理されたマスク接合膜・下地紙積層体（図７（ｇ）参照）から下地紙２０を巻き取る下地紙巻き取りドラムである。符号２０３は、塗工処理されたマスク接合膜Ｕ１’（図７（ｈ）参照）から塗工処理に用いた使用済みマスク１６をガイドロール１０６ｈ位置において巻き取って剥離するマスク巻き取りドラムである。符号２０８は、セパレートフィルム巻き出しドラム、符号２０９は、膜・電極接合体巻き取りドラムで、マスク接合膜Ｕ１’からマスク１６が剥離されることで構成された帯状の膜・電極接合体Ｕ２（図７（ｉ）参照）は、セパレートフィルム巻き出しドラム２０８（のセパレートフィルムコイルＣ４）から巻き出されたセパレートフィルム２２とともに、膜・電極接合体巻き取りドラム２０９に巻き取られる。なお、セパレートフィルム２２は、図７（ｊ）に示すように、膜・電極接合体Ｕ２をコイル状に捲回したときの塗工膜（触媒層）同士の接触を防ぐためのものである。符号Ｍ２０３，Ｍ２０５，Ｍ２０９は、巻き取りドラム２０３，２０５，２０９の駆動モータ、符号Ｍ２０４，Ｍ２０８は、巻き出しドラム２０４，２０８の駆動モータで、巻き出しドラム２０４，２０８および巻き取りドラム２０３，２０５，２０９は、回転ドラム２１２の回転に連係して間欠回転する。

即ち、真空チャンバ２１０から送出された第２の塗工処理後のマスク接合膜・下地紙積層体（図７（ｇ）参照）から下地紙２０を巻き取ると、図７（ｈ）に示すような断面となり、さらにマスク巻き取りドラム２０３により使用済みマスク（第２のマスク）１６を巻き取ると、図７（ｉ）に示すように、第２のマスク１６の開口１７に対応する大きさの塗工膜が電解質膜１０に取り残されて、電解質膜１０の他の面に第２の触媒層１２ｂが所定ピッチで形成された帯状の膜・電極接合体（電解質膜１０の両面に相対向する第１，第２の触媒層１２ａ，１２ｂが所定ピッチで形成された膜・電極接合体）Ｕ２（図４参照）となる。そして、この帯状の膜・電極接合体Ｕ２をセパレートフィルム２２とともに巻き取りドラム２０９に膜・電極接合体コイルＣ５として巻き取る。図７（ｊ）は、膜・電極接合体コイルＣ５におけるセパレートフィルム２２と膜・電極接合体Ｕ２の積層状態を示す。

そして、巻き取りドラム２０９から外した膜・電極接合体コイルＣ５を、図示しない切断装置にセットして、帯状の膜・電極接合体Ｕ２を所定の位置（図４仮想線参照）で切断することで、図１に示す所定寸法の膜・電極接合体Ｐが得られる。

また、電解質膜１０に接合一体化されているマスク１４，１６は、塗工処理後に合成樹脂製フィルムのように燃やすと環境有害物質を発生することのない紙で構成されているので、巻き取りドラム１０３，２０３で巻き取った塗工液の付着した使用済みマスク１４，１６を燃焼して高価な白金を分離回収し、回収した白金を触媒層形成用の塗工液への添加材として再利用することも可能でる。

図８および図９は、膜・電極中間接合体の製造方法および装置の一実施例を示し、図８は同実施例装置の全体構成図、図９は同実施例装置により製造された膜・電極中間接合体の斜視図である。

前記した第１の発明の実施例では、マスク接合膜Ｕ１が複数のロールに掛け回されて搬送されることで、第１の塗工工程１００により電解質膜１０の一方の面に第１の触媒層１２ａ形成用の塗工液が塗工され、さらに第２の塗工工程２００により電解質膜１０の他方の面に第２の触媒層１２ｂ形成用の塗工液が塗工されて、電極膜１０の表裏両面にマスク１４，１６の開口１５，１７に対応する大きさの触媒層１２ａ，１２ｂが所定ピッチで形成された帯状の膜・電極接合体Ｕ２（図４参照）が製造されるようになっているが、この実施例では、マスク接合膜Ｕ１が複数のロールに掛け回されて搬送されることで、第１の塗工工程１００により電解質膜１０の一方の面に第１の触媒層１２ａ形成用の塗工液が塗工されて、図９に示すような、マスク１６がその裏面に接合されている電極膜１０の表面に、剥がされたマスク１４の開口１５に対応する大きさの触媒層１２ａが所定ピッチで形成された構造の帯状の膜・電極中間接合体であるマスク接合膜Ｕ１’が製造されるようになっている。

この膜・電極中間接合体（マスク接合膜）Ｕ１’は、前記した第１の発明の実施例方法（装置）の中間製造物（図６（ｅ）参照）に他ならず、この実施例における第１の塗工工程１００を構成する各要素は、前記した第１の実施例における第１の塗工工程１００を構成する各要素と同一であり、同一の符号を付すことで、その重複した説明は省略する。

図８において、符号１０７は、膜・電極中間接合体巻き取りドラム、符号Ｍ１０７は、巻き取りドラム１０７の駆動モータ、符号１０８は、セパレートフィルム巻き出しドラム、符号Ｍ１０８は、巻き出しドラム１０８の駆動モータで、第１の塗工工程１００によって製造された帯状の膜・電極接合体（マスク接合膜）Ｕ１’は、ガイドロール１０６ｄを経た後、セパレートフィルム巻き出しドラム１０８（のセパレートフィルムコイルＣ６）から巻き出されたセパレートフィルム２４とともに、膜・電極中間接合体巻き取りドラム１０７に膜・電極中間接合体（マスク接合膜）コイルＣ７として巻き取られる。

そして、塗工ヘッド１１４に第２の触媒層形成用の塗工液が供給されるようにセットするとともに、巻き取りドラム１０７から外した膜・電極中間接合体（マスク接合膜）コイルＣ７をマスク接合膜巻き出しドラム１０２にセットし、セパレートフィルム２４を下地紙２０として利用して真空チャンバ１１０内に送出するか、または膜・電極中間接合体（マスク接合膜）コイルＣ７から巻き出したセパレートフィルム２４を図示しないセパレートフィルム巻き取りドラムで巻き取るとともに、同じく巻き出した膜・電極中間接合体Ｕ１’を下地紙コイルＣ２から巻き出した下地紙２０とともに真空チャンバ１１０内に送出するようにして、塗工工程１００を行うことで、膜・電極中間接合体（マスク接合膜）Ｕ１’の電極膜１０における他の面（触媒層１２ａが形成されていない側の面）に触媒層１２ａと相対向する第２の触媒層１２ｂを所定ピッチで形成する。

即ち、膜・電極中間接合体（マスク接合膜）Ｕ１’の他のマスク１６の開口１７に第２の触媒層形成用の塗工液が塗工された後に、使用済みマスク１６がマスク巻取りドラム１０３に巻き取られて剥離され、剥離されたマスク１６の開口１７に対応する大きさの第２の塗工膜が電解質膜１０に取り残されて、図４に示すように、電解質膜１０の他の面にも触媒層１２ｂが所定ピッチで形成された形態（電解質膜１０の表裏両面に触媒層１２ａ，１２ｂが所定ピッチで形成された形態）となる。

第１の本発明に係る膜・電極接合体の製造方法（装置）の一実施例によって製造された膜・電極接合体の縦断面図である。 同実施例方法（装置）に使用されるマスク接合膜の斜視図である。 同マスク接合膜の断面図である。 同実施例方法（装置）によって製造された帯状の膜・電極接合体の斜視図である。 同実施例装置膜の全体構成図である。 第１の塗工工程を説明する工程説明図である。 第２の塗工工程を説明する工程説明図である。 第２の本発明に係る膜・電極中間接合体の製造方法（装置）の一実施例の全体構成図である。 同装置により製造された膜・電極中間接合体の斜視図である。 第１の従来技術に係る製造方法で製造された膜・電極接合体の断面図である。 第１の従来技術に係る膜・電極接合体の製造方法を示す図である。 第２の従来技術に係る膜・電極接合体の製造装置の分解斜視図である。 同製造装置の縦断面図である。

符号の説明

Ｕ１ 帯状のマスク接合膜（マスクと電解質膜の接合体）
Ｕ１’第１の塗工工程終了後のマスク接合膜（帯状の膜・電極中間接合体）
Ｕ２ 帯状の膜・電極接合体
Ｐ 膜・電極接合体
１０ 電解質膜
１２ａ 第１の電極を構成する第１の触媒層
１２ｂ 第２の電極を構成する第２の触媒層
１４ 第１のマスク
１５ 第１のマスクの開口
１６ 第２のマスク
１７ 第２のマスクの開口
２０ 下地紙
１００ 第１の塗工工程
１０２ マスク接合膜巻き出しドラム
１０３，２０３ マスク巻取りドラム
１０４，２０４ 下地紙巻き出しドラム
１０５，２０５ 下地紙巻き出しドラム
１１０，２１０ 真空チャンバ
１１１，１１３、２１１，２１３ 真空ポンプ
１１２，２１２ 回転ドラム
１１２ａ，２１２ａ 回転ドラム外周の真空吸着保持面
１１４ 第１の塗工ヘッド
２１４ 第２の塗工ヘッド
２００ 第２の塗工工程
２０８ セパレートフィルム巻き出しドラム
２０９ 膜・電極接合体巻取りドラム
２１４ 塗工ヘッド
Ｃ１ マスク接合膜コイル
Ｃ２、Ｃ３ 下地紙コイル
Ｃ４、Ｃ６ セパレートフィルムコイル
Ｃ５ 膜・電極接合体コイル
Ｃ７ 膜・電極中間接合体コイル

Claims (10)

1. 電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体の製造方法において、
   複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、第１の塗工ヘッドにより第１の触媒層形成用の塗工液を塗工する第１の塗工工程と、
   前記第１の塗装工程を経た電解質膜の他方の面に、第２の塗工ヘッドにより第２の触媒層形成用の塗工液を塗工する第２の塗工工程とを備え、
   前記電解質膜は、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成され、
   前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、
   前記第１の塗工工程後の第２の塗工工程前に、第１の塗工工程で使用した使用済みマスクを剥離し、第２の塗工工程後に、第２の塗工工程で使用した使用済みマスクを剥離することを特徴とする膜・電極接合体の製造方法。
2. 前記マスクは吸液性に優れた紙で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の膜・電極接合体の製造方法。
3. 前記第１の塗工工程および第２の塗工工程では、前記マスク接合膜を該マスク接合膜よりも幅広の吸液性に優れた下地紙上に積層させた形態で塗工することを特徴とする請求項１または２に記載の膜・電極接合体の製造方法。
4. 前記第１，第２の塗工工程を真空雰囲気下において行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜・電極接合体の製造方法。
5. 電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する装置において、
   複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、第１の塗工ヘッドにより第１の触媒層形成用の塗工液を塗工する第１の塗工工程と、
   前記第１の塗装工程を経た電解質膜の他方の面に、第２の塗工ヘッドにより第２の触媒層形成用の塗工液を塗工する第２の塗工工程とを備え、
   前記電解質膜は、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成され、
   前記マスク接合膜は前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送され、
   前記第１，第２の塗工工程では、前記マスク接合膜がそれぞれの回転ドラム外周の吸着保持面で真空吸着保持されて、前記第１，第２の塗工ヘッドにより塗工液がマスクの所定の開口にそれぞれ塗工されるように構成されるとともに、
   前記第１，第２の回転ドラムからそれぞれ送出された塗工処理後のマスク接合膜からそれぞれの使用済みマスクがマスク巻取りドラムに巻き取られるように構成されたことを特徴とする膜・電極接合体の製造装置。
6. 前記マスクは吸液性に優れた紙で構成されたことを特徴とする請求項５に記載の膜・電極接合体の製造装置。
7. 前記第１の塗工工程および第２の塗工工程におけるそれぞれの回転ドラムのマスク接合膜送入側及び送出側には、下地紙巻き出しドラムおよび下地紙巻き取りドラムがそれぞれ設けられ、前記下地紙巻き出しドラムに支持された下地紙コイルから巻き出された、前記マスク接合膜より幅広の吸液性に優れた下地紙は、前記マスク接合膜と積層する形態で前記回転ドラムに捲回された後、前記下地紙巻き取りドラムに巻き取られるように構成されたことを特徴とする請求項５または６に記載の膜・電極接合体の製造装置。
8. 前記第１，第２の塗工工程における回転ドラムおよび塗工ヘッドは、それぞれ真空チャンバ内に配置されるとともに、前記それぞれの回転ドラム内には、加熱手段が設けられことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の膜・電極接合体の製造装置。
9. 電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する過程で、前記第１または第２の触媒層のいずれか一方を前記電解質膜に接合一体化した膜・電極中間接合体を製造する方法において、
   複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に塗工ヘッドにより触媒層形成用の塗工液を塗工する塗工工程を備え、
   前記電解質膜は、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成され、
   前記マスク接合膜を前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送し、
   前記塗工工程後に使用済みマスクを剥離することを特徴とする膜・電極中間接合体の製造方法。
10. 電解質膜と、該電解質膜を介して対向し電解質膜とそれぞれ隣接して配置される第１の電極および第２の電極である第１の触媒層および第２の触媒層とから構成された膜・電極接合体を製造する過程で、前記第１または第２の触媒層のいずれか一方を前記電解質膜に接合一体化した膜・電極中間接合体を製造する装置において、
    複数のロールに掛け回されて搬送される電解質膜の一方の面に、塗工ヘッドにより触媒層形成用の塗工液を塗工する塗工工程を備え、
    前記電解質膜は、その表裏両面に剥離可能なマスクがそれぞれ接合一体化され、該マスクには中央の電解質膜を挟んで相対向し前記第１，第２の触媒層に対応する開口が所定ピッチで形成されたマスク接合膜として構成され、
    前記マスク接合膜は前記塗工工程の処理速度に連係して間欠搬送され、
    前記塗工工程では、前記マスク接合膜が回転ドラム外周の吸着保持面で真空吸着保持されて、前記塗工ヘッドにより塗工液がマスクの所定の開口に塗工されるように構成されるとともに、
    前記回転ドラムから送出された塗工処理後のマスク接合膜から使用済みマスクがマスク巻取りドラムによって巻き取られるように構成されたことを特徴とする膜・電極中間接合体の製造装置。

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