JP2010176897A - 燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜表裏面の触媒層間の位置ずれ発生に起因する不良品発生や生産性の低下を低減できる燃料電池用膜−電極接合体の製造を可能とする。
【解決手段】搬送される電解質膜の表裏面に、各々搬送される支持体上に一定間隔で連続形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して膜−電極接合体を連続製造する方法、装置であって、電解質膜１の片面側の支持体２を、同支持体上の触媒層４の間隔よりもニップ幅が小さく設定された転写ロール６にラップさせて電解質膜１から離れる方向に搬送させると共に、電解質膜表裏面に形成される各触媒層４，５の位置を検出しつつ同触媒層を転写する。電解質膜表裏面の触媒層４，５間に位置ずれが検出された場合は支持体ラップ側の転写ロール６による加圧を、支持体搬送方向の触媒層４，４間位置で解放し、その転写ロール６による電解質膜１に対する触媒層転写位置を補正移動させた後、触媒層４の加圧転写を復帰させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の表裏面に、支持体上に定間隔で連続的に形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して燃料電池の膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を連続的に製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載のものがあった。
これは、支持体上に形成した触媒層を、電解質膜に転写する工程中又はその前後に電解質膜−支持体間の接着力を小さくする処理工程を備えることにより、低温かつ短時間で、高出力、高効率で信頼性が優れた燃料電池用電解質膜電極接合体の製造方法を提供するというものである。

特開２００３−３０３５９９号公報

しかしながら上記従来技術では、電解質膜に対する触媒層の位置ずれ、特に電解質膜の表裏面における触媒層相互間の位置ずれについては配慮されてなく、触媒層の位置ずれに関わる不良品の発生や、位置ずれ修正作業に起因する生産性低下等の問題があった。

本発明は、上記のような問題を解消するためになされたもので、電解質膜の表裏面における触媒層相互間の位置ずれの補正が可能で、位置ずれ発生に関わる不良品の発生や位置ずれ修正作業に起因する生産性の低下を低減できる燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題は、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（３）項が請求項２に、（４）項が請求項３に、（５）項が請求項４に、各々対応する。（２）項は請求項に係る発明ではない。

（１） 搬送される帯状の電解質膜の表裏面に、各々搬送される帯状の支持体上に一定の間隔をおいて連続的に形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して燃料電池の膜−電極接合体を連続的に製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の表裏面のうちの少なくとも片面側の支持体を、同側の支持体上の触媒層の間隔よりもニップ幅が小さく設定された転写ロールにラップさせて前記電解質膜から離れる方向に搬送させると共に、前記電解質膜の表裏面に形成される各触媒層の位置を検出しつつ前記転写を行い、前記電解質膜の表裏面に形成される触媒層相互間に位置ずれが検出された場合には前記支持体をラップさせた側の転写ロールによる前記加圧を、支持体搬送方向にて隣接する触媒層相互間位置で解放し、かつその転写ロールによる前記電解質膜に対する触媒層の転写位置を補正移動させた後、前記加圧転写を復帰させることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
（２） 前記転写ロールによる加圧をバックアップロールを介して行うことを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
本項に記載の発明によれば、触媒層の転写のために転写ロールに小径ロールを用いた場合でも、転写圧力が不均一になることを防止できる。
（３） 搬送される帯状の電解質膜の表裏面に、各々搬送される帯状の支持体上に一定の間隔をおいて連続的に形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して燃料電池の膜−電極接合体を連続的に製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造装置であって、前記電解質膜の表裏面のうちの少なくとも片面側の支持体を、同側の転写ロールにラップさせて電解質膜から離れる方向に搬送可能に一方の触媒層転写系が構成され、少なくともこの一方の触媒層転写系の転写ロールはニップ幅が支持体上の前記触媒層の間隔よりも小さく設定され、かつ、前記電解質膜の表裏面に形成される各触媒層の位置を検出する触媒層位置検出手段と、前記一方の触媒層転写系の転写ロールによる前記加圧を解放し、又は加圧転写を復帰させる加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構と、前記一方の触媒層転写系を前記電解質膜の搬送方向及びこれに交差する方向に移動可能な触媒層転写系移動機構と、前記触媒層位置検出手段が前記電解質膜の表裏面に形成される触媒層相互間の位置ずれを検出したときに前記加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構を駆動させて前記一方の触媒層転写系の転写ロールによる加圧を、支持体搬送方向にて隣接する触媒層相互間位置で解放し、かつその転写ロールによる前記電解質膜に対する触媒層の転写位置を前記触媒層転写系移動機構を駆動して補正移動させた後、前記加圧転写を復帰させる制御装置とを、具備することを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
（４） 前記一方の触媒層転写系にバックアップロールが設けられ、このバックアップロールを介して前記転写ロールによる加圧転写が行われることを特徴とする（３）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
（５） 前記一方の触媒層転写系は、支持体の、電解質膜に近づく側も転写ロールにラップされて搬送可能に構成されることを特徴とする（３）項又は（４）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。

（１）項に記載の発明によれば、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、電解質膜の表裏面における触媒層相互間の位置ずれの補正が可能で、位置ずれ発生に関わる不良品発生や生産性低下を低減できる。
（３）項に記載の発明によれば、燃料電池用膜−電極接合体の製造装置において、電解質膜の表裏面における触媒層相互間の位置ずれの補正が可能で、位置ずれ発生に関わる不良品発生や生産性低下を低減できる。
（４）項に記載の発明によれば、（３）項に記載の発明の効果に加えて、触媒層の転写のために転写ロールに小径ロールを用いた場合でも、転写圧力が不均一になることを防止できる。
（５）項に記載の発明によれば、（３）項、（４）項に記載の発明の効果に加えて、電解質膜に対する触媒層の転写位置の補正移動がし易くなるという効果を発揮できる。
なお、（２）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。

本発明方法の第１実施形態の説明図である。 同上第１実施形態における触媒層の転写位置の補正移動の説明図である。 本発明方法の２実施形態の説明図である。 同じく第３実施形態の説明図である。 同じく第４実施形態の説明図である。 本発明による燃料電池用膜−電極接合体の製造装置の一実施形態の説明図である。 同上装置の動作説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１〜図５及び図６、図７に示す実施形態は、一定方向アに搬送される帯状の電解質膜１の表裏面に、各々一定方向イ，ウに搬送される帯状の支持体２，３上に一定の間隔ｄ１をおいて連続的に形成された触媒層（カソード側触媒層，アノード側触媒層）４，５を転写ロール６，７により加圧転写して、燃料電池の膜−電極接合体８を連続的に製造する方法及び装置である。そして、このような燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置において、電解質膜１の表裏面における触媒層４，５相互間の位置ずれを防止するものである。
ここで、上記電解質膜１及び触媒層４，５は、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体８の製造に通常用いられる材料からなる。例えば、電解質膜１はイオン交換樹脂材からなり、また触媒層４，５は白金等を含む電極触媒材からなる。触媒層４，５は支持体２，３面上に塗着され、この支持体２，３を、触媒層４，５塗着面とは反対側の面から電解質膜１面に対して加熱、加圧することにより、触媒層４，５を電解質膜１面に転写可能である。

まず、図１及び図２に示す実施形態について説明する。
図１及び図２は、本発明による燃料電池用膜−電極接合体の製造方法の第１実施形態の説明図であって、図１は触媒層の転写動作時、図２は触媒層の転写位置の補正移動動作時を示す。
図１に示すように、第１実施形態では、電解質膜１の表裏面のうちの少なくとも片面側、ここでは表面側（図中、上面側）の支持体２を、同表面側の支持体２上の触媒層４の間隔ｄ１よりもニップ幅が小さく設定された転写ロール６にラップさせて電解質膜１から離れる方向エに搬送させる。そして、電解質膜１の表裏面に形成される支持体２，３上の触媒層４，５の位置を位置検出器９，１０により検出しつつ、同触媒層４，５を電解質膜１の表裏面に加圧し（矢印オ，カ参照）、転写する。位置検出器９，１０は、図示例ではＣＣＤカメラ等の光学式の位置センサであり、透光性の支持体２，３を介して触媒層４，５の位置を検出できる。

位置検出器９，１０により、電解質膜１の表裏面に形成される触媒層４，５相互間に位置ずれが検出された場合には、図２に示すように、支持体２をラップさせた側の転写ロール６による加圧を、支持体搬送方向イにて隣接する触媒層４，４相互間位置、詳しくはその中央位置で一旦、解放する（矢印キ参照）。すなわち、転写ロール６を上昇させる。図示例では、転写ロール７も加圧が解かれ、加圧転写動作前の図示位置に戻される（矢印ク参照）。
そして、転写ロール６による電解質膜１に対する触媒層４の転写位置を補正移動、つまり、触媒層４，５が電解質膜１の表裏面同位置に形成されるように転写位置を移動させ、その後、上記加圧転写を復帰させ、電解質膜１の表裏面における触媒層４，５相互間の位置ずれが防止された膜−電極接合体８の連続製造を可能としたものである。

電解質膜１に対する触媒層、ここでは触媒層４の転写位置の補正移動は、電解質膜１の搬送方向ア若しくは同搬送方向アに交差、通常は直交する方向（図示面に対して垂直な方向）、又はそれら両方向について行う。
位置検出器１１は、触媒層４，５が電解質膜１の表裏面同位置に形成されているか否かを検出するセンサであり、電解質膜１に対する触媒層４の転写位置補正移動が正常に行われたか否かも検出される。
この位置検出器１１の他に位置検出器９，１０を設けたのは、触媒層４，５、ここでは触媒層４が電解質膜１に転写される前に、その位置ずれを検出して転写位置の補正移動を行わせるためである。
位置検出器１１もＣＣＤカメラ等の光学式の位置センサを用いているので、透光性の電解質膜１表裏面の触媒層４，５の位置を１台で検出可能である。

ここで、転写ロール６のニップ幅を支持体２上の触媒層４の間隔ｄ１よりも小さくしたのは、転写ロール６による加圧の解放を、触媒層４，４相互間位置、特にその中央位置で行うことによって、転写ロール６による触媒層４の加圧の解放を触媒層４の加圧途中で行われることによる、触媒層４の不完全な転写を回避するためである。
また、支持体２を転写ロール６にラップさせて電解質膜１から離れる方向エに搬送させたのは、上記のように転写ロール６による加圧の解放を触媒層４，４相互間位置で行うが、この加圧解放時、つまり転写ロール６の上昇時において、電解質膜１に転写されたばかりの触媒層４（４ａ）からの支持体２の剥離を容易にするためである。

更に、図示第１実施形態では、転写ロール６，７による電解質膜１への触媒層４，５の加圧転写をバックアップロール１２，１３を介して行っている（矢印オ，カ参照）。これは、触媒層４の間隔ｄ１よりもニップ幅を小さくするため等によって、転写ロール６に小径ロールを使用することがある。しかし、触媒層４の転写のために小径ロールを直接加圧すると、同小径ロールが撓んで転写圧力が不均一になりやすい。そこで、バックアップロール１２を介して転写ロール６による加圧を行い、上記のような転写圧力が不均一になることを防止している。

図示例では、電解質膜１の裏面側（図中、下面側）の転写ロール７についてもバックアップロール１３を介して上記加圧を行うようにしている。しかし、触媒層４，５相互間の位置ずれ補正、つまり電解質膜１に対する触媒層４の転写位置の補正移動に関わらない側の転写ロール７については、触媒層５を常時、電解質膜１側に加圧していてよいので、触媒層５の間隔ｄ１よりもニップ幅を小さくすることは必須ではない。
したがって、転写ロール７側については、バックアップロール１３を用いる必要はなく、省略可能である。のみならず、転写ロール７については、上記のようなニップ幅を小さくするという制約がないので、単体で、より均一かつ安定した転写圧力を付与できる大径ロールの使用が可能である。

図３は、本発明方法の第２実施形態の説明図である。
この第２実施形態では、転写ロール７に、触媒層５の間隔ｄ１に対するニップ幅の制約を受けない大径ロールを使用していて、電解質膜１への触媒層５の転写につき、バックアップロールを用いずに単体で、より均一かつ安定した圧力を付与できる。

図４は、本発明方法の第３実施形態の説明図である。
この第３実施形態は、支持体２の、電解質膜１に近づく側も転写ロール６にラップされて搬送される形態である。
この第３実施形態によれば、支持体２、触媒層４が電解質膜１に近接対向する箇所が、転写ロール６の支持体２の最下端の狭い部分となる。したがって、支持体２、転写ロール６等を移動することによる、電解質膜１に対する触媒層４の転写位置の補正移動がし易くなる。

図５は、本発明方法の第４実施形態の説明図である。
この第４実施形態は、転写ロール６の支持体２の送り出し側のごく近くに細径の剥離用ロール２１を配置し、このロール２１に支持体２をラップさせて電解質膜１から離れる方向エに搬送させる形態である。
この第４実施形態によれば、転写ロール６のニップ幅を大きく設定した場合でも、転写ロール６による転写圧力の解放時、つまり転写ロール６の上昇時において、電解質膜１に転写されたばかりの触媒層４（４ａ）からの支持体２の剥離が容易になる。

以上述べた第１〜第４実施形態において、転写ロール６，７は、内部から加熱でき、また温度制御可能であることが望ましく、また、同転写ロール６，７のうちのいずれか一方を金属ロール、他方を弾性ロールとすることが好ましい。この場合、弾性ロールは表面ゴム硬度４０°〜９０°が好ましい。転写ロール６，７の温度は、固体高分子形燃料電池に一般的に使用される電解質膜１においては７０°Ｃ〜１６０°Ｃが好ましい。

図６及び図７は、本発明による燃料電池用膜−電極接合体の製造装置の一実施形態の説明図で、図６は触媒層の転写動作時、図７は触媒層の転写位置の補正移動動作時を示している。なお、図６及び図７おいて、図１と同一又は相当部分には同一符号を付してある。
図示実施形態は、基本的には図１に示す燃料電池用膜−電極接合体の製造方法の第１実施形態を具現化したものである。すなわち、一定方向アに搬送される帯状の電解質膜１の表裏面に、各々一定方向イ，ウに搬送される帯状の支持体２，３上に一定の間隔ｄ１をおいて連続的に形成された触媒層４，５を転写ロール６，７により加圧転写して、燃料電池の膜−電極接合体８を連続的に製造する装置である。
図示実施形態では、図１におけるバックアップロール１２，１３が省略されているが、図１と同様にバックアップロール１２，１３を備える構成として転写圧力の均一化を図ってもよい。
またこの実施形態では、支持体２の、電解質膜１に近づく側も離れる側も共に転写ローラ６にラップするように構成されている。これは、電解質膜１に転写されたばかりの触媒層４からの支持体２の剥離を容易にし、また、支持体２、転写ロール６等を移動することによる、電解質膜１に対する触媒層４の転写位置の補正移動をし易くするためである。

図６において、３１は、電解質膜１の表面側（図中、上面側）について触媒層４の位置を位置検出器９により検出しつつ、同触媒層４を転写ロール６によって電解質膜１の表面に加圧し、転写する触媒層転写系である。
この触媒層転写系３１は、転写ロール６の他、触媒層４が形成された支持体２を繰り出す支持体繰出しロール３１ａ、触媒層４の転写後の支持体２を巻き取る支持体巻取りロール３１ｂ、及び搬送方向転換用ロール３１ｃ等を備えて構成されている。
この触媒層転写系３１は、転写ロール６のニップ幅が支持体２上の触媒層４の間隔ｄ１よりも小さく設定されていること等につき、図１に示す本発明方法の第１実施形態と同様である。

図示実施形態において、位置検出器９，１０によって電解質膜１の表裏面に形成される触媒層４，５相互間に位置ずれが検出された場合には、転写ロール６を、支持体搬送方向イにて隣接する触媒層４，４相互間位置、詳しくはその中央位置で一旦、上昇させ（図７中、矢印キ参照）、同転写ロール６による加圧を解放する。そして、転写ロール６による電解質膜１に対する触媒層４の転写位置を補正移動させる。

この実施形態では、上記のような触媒層４の転写位置の補正移動のために、加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構３２、触媒層転写系移動機構３３及び制御装置３４を備えている。
上記加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構３２は、触媒層転写系３１の転写ロール６による上記加圧を解放し、あるいは加圧転写を復帰（開始）させる機構である。
また触媒層転写系移動機構３３は、触媒層転写系３１を、電解質膜１の搬送方向ア若しくは同搬送方向アに直交する方向、又はそれら両方向に移動させる機構である。
制御装置３４は、位置検出器９，１０が電解質膜１の表裏面に形成される触媒層４，５相互間の位置ずれを検出すると、その方向と量を演算すると共に上記加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構３２を駆動させ、触媒層転写系３１の転写ロール６を支持体搬送方向イにて隣接する触媒層４，４相互間位置、ここではその中央位置で一旦、上昇させ（図７中、矢印キ参照）、同転写ロール６による加圧を解放する。そして、上記演算により求められた方向と量に基づいて転写ロール６による電解質膜１に対する触媒層４の転写位置を補正移動する。すなわち、触媒層４，５が電解質膜１の表裏面同位置に形成されるように、触媒層転写系移動機構３３によって触媒層転写系３１を移動させ、その後、上記加圧転写を復帰（開始）させる装置である。

このような実施形態において、いま、位置検出器９，１０が電解質膜１の表裏面に形成される触媒層４，５相互間の位置ずれを検出すると、制御装置３４が、加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構３２を駆動させて触媒層転写系３１の転写ロール６を図７中、矢印キに示すように一旦、上昇させ、同転写ロール６による加圧を解放する。
そして、触媒層転写系移動機構３３によって触媒層転写系３１を図７中、矢印ケ，コ方向に移動させて触媒層４の転写位置を補正移動する。その後、触媒層４の上記加圧転写を復帰させるもので、これにより、電解質膜１の表裏面における触媒層４，５相互間の位置ずれが防止された膜−電極接合体８の連続製造を可能としている。この間、電解質膜１及び支持体２，３の搬送を停止させる必要はない。

以上述べたように、図示実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体の製造方法及び装置によれば、電解質膜１の表裏面における触媒層４，５相互間の位置ずれを触媒層転写位置の補正移動を行うことにより補正でき、位置ずれ発生に関わる膜−電極接合体８の不良品の発生や位置ずれ修正作業に起因する生産性の低下を低減できる。

なお上述した各実施形態では、電解質膜１、支持体２，３に透光性の電解質膜、支持体を用いたが、触媒層４，５の位置を位置検出器９〜１１によって検出可能であれば、非透光性の電解質膜、支持体を用いてもよい。位置検出器９〜１１も、触媒層４，５の位置を検出可能であれば、光学式の位置センサでなくてもよい。

１：電解質膜、２，３：支持体、４，５：触媒層、６，７：転写ロール、８：膜−電極接合体、９〜１１：位置検出器、１２，１３：バックアップロール、３１：触媒層転写系、３２：加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構、３３：触媒層転写系移動機構、３４：制御装置。

Claims (4)

1. 搬送される帯状の電解質膜の表裏面に、各々搬送される帯状の支持体上に一定の間隔をおいて連続的に形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して燃料電池の膜−電極接合体を連続的に製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造方法であって、
   前記電解質膜の表裏面のうちの少なくとも片面側の支持体を、同側の支持体上の触媒層の間隔よりもニップ幅が小さく設定された転写ロールにラップさせて前記電解質膜から離れる方向に搬送させると共に、前記電解質膜の表裏面に形成される各触媒層の位置を検出しつつ前記転写を行い、
   前記電解質膜の表裏面に形成される触媒層相互間に位置ずれが検出された場合には前記支持体をラップさせた側の転写ロールによる前記加圧を、支持体搬送方向にて隣接する触媒層相互間位置で解放し、かつその転写ロールによる前記電解質膜に対する触媒層の転写位置を補正移動させた後、前記加圧転写を復帰させることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。
2. 搬送される帯状の電解質膜の表裏面に、各々搬送される帯状の支持体上に一定の間隔をおいて連続的に形成された触媒層を転写ロールにより加圧転写して燃料電池の膜−電極接合体を連続的に製造する燃料電池用膜−電極接合体の製造装置であって、
   前記電解質膜の表裏面のうちの少なくとも片面側の支持体を、同側の転写ロールにラップさせて電解質膜から離れる方向に搬送可能に一方の触媒層転写系が構成され、
   少なくともこの一方の触媒層転写系の転写ロールはニップ幅が支持体上の前記触媒層の間隔よりも小さく設定され、かつ、
   前記電解質膜の表裏面に形成される各触媒層の位置を検出する触媒層位置検出手段と、
   前記一方の触媒層転写系の転写ロールによる前記加圧を解放し、又は加圧転写を復帰させる加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構と、
   前記一方の触媒層転写系を前記電解質膜の搬送方向及びこれに交差する方向に移動可能な触媒層転写系移動機構と、
   前記触媒層位置検出手段が前記電解質膜の表裏面に形成される触媒層相互間の位置ずれを検出したときに前記加圧転写ＯＮ／ＯＦＦ機構を駆動させて前記一方の触媒層転写系の転写ロールによる加圧を、支持体搬送方向にて隣接する触媒層相互間位置で解放し、かつその転写ロールによる前記電解質膜に対する触媒層の転写位置を前記触媒層転写系移動機構を駆動して補正移動させた後、前記加圧転写を復帰させる制御装置とを、
   具備することを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
3. 前記一方の触媒層転写系にバックアップロールが設けられ、このバックアップロールを介して前記転写ロールによる加圧転写が行われることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。
4. 前記一方の触媒層転写系は、支持体の、電解質膜に近づく側も転写ロールにラップされて搬送可能に構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用膜−電極接合体の製造装置。