触媒層−電解質膜積層体及び電極−電解質膜積層体の製造方法及び製造装置
【課題】アノード触媒層１２ａとカソード触媒層１２ｂの両方の厚みのバラツキを抑制することを目的とする。
【解決手段】電解質膜１１の両面に触媒層１２が形成された触媒層−電解質膜積層体１３の製造方法であって、電解質膜１１を供給する工程と、電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによりアノード触媒層用塗工液を塗工しこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する工程と、電解質膜１１の下面に、第２ダイヘッド３ｂによりカソード触媒層用塗工液を塗工しこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する工程と、を含み、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αは、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αよりも小さい。
【解決手段】電解質膜１１の両面に触媒層１２が形成された触媒層−電解質膜積層体１３の製造方法であって、電解質膜１１を供給する工程と、電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによりアノード触媒層用塗工液を塗工しこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する工程と、電解質膜１１の下面に、第２ダイヘッド３ｂによりカソード触媒層用塗工液を塗工しこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する工程と、を含み、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αは、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αよりも小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層−電解質膜積層体及び電極−電解質膜積層体の製造方法及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、触媒層及び導電性多孔質基材からなる電極を電解質膜の両面に形成した電極−電解質膜積層体（ＭＥＡ）を主な構成としている。この電極−電解質膜積層体の製造方法として、例えば、特許文献１に示されるような、電解質膜を準備し、この電解質膜の両面にダイヘッドによって触媒層を塗工し、これに導電性多孔質基材を積層する方法が一般的に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６８４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した方法で形成した触媒層は、アノード側及びカソード側の少なくともどちらかの触媒層の厚みにばらつきが生じるといった問題があった。このように各触媒層の厚みにばらつきが生じると発電にバラツキが生じ性能低下を招くという問題がある。そこで、本発明は、アノード側及びカソード側の両方の触媒層の厚みのバラツキを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る第１の触媒層−電解質膜積層体の製造方法は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、電解質膜を供給する工程と、前記電解質膜の一方面上に、第１ダイヘッドによりアノード触媒層用塗工液を塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層を形成する工程と、前記電解質膜の他方面上に、第２ダイヘッドによりカソード触媒層用塗工液を塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層を形成する工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【０００６】
上記製造方法では、第１及び第２ダイヘッドのマニホールドにマニホールド角度を付けることによって、塗工液がダイヘッドに注入されてから吐出されるまでの距離をダイヘッドの幅方向において調整し、幅方向における触媒層の厚みのバラツキを抑えることができる。また、一般的に、アノード触媒層用塗工液はカソード触媒層用塗工液よりも粘度の低いものが用いられるため、同じマニホールド角度を有するダイヘッドを用いてアノード触媒層用塗工液とカソード触媒層用塗工液を塗工すると、どちらかの触媒層に厚みのバラツキが発生する可能性があった。これに対して、本発明に係る製造方法では、一般的にカソード触媒層用塗工液よりも粘度の低いアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドのマニホールド角度を第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さくしているため、アノード触媒層とカソード触媒層の両方の触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層塗工液を塗工することでより触媒層の厚みのバラツキを抑制することができる。
【０００７】
本発明に係る第２の触媒層−電解質膜積層体の製造方法は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、第１基材シートを供給する工程と、前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シートを作製する工程と、第２基材シートを供給する工程と、前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層転写シートを作製する工程と、電解質膜を供給する工程と、前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層を前記電解質膜の一方面上に転写する工程と、前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層を前記電解質膜の他方面上に転写する工程と、前記各触媒層が電解質膜に転写された後の各基材シートを剥離する工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【０００８】
この製造方法によれば、上記第１の触媒層−電解質膜積層体の製造方法と同様に、第１ダイヘッドのマニホールド角度が第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したのと同様の効果を奏することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することでより触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記アノード触媒層を電解質膜の一方面上に転写する工程と、カソード触媒層を電解質膜の他方面上に転写する工程とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
【０００９】
また、本発明に係る第１の電極−電解質膜積層体の製造方法は、上記いずれかの触媒層−電解質膜積層体の製造方法と、前記各触媒層上に導電性多孔質基材を積層する工程と、を含む。この製造方法によれば、上述したいずれかの触媒層−電解質膜積層体の製造方法を含んでいるため、上述したのと同様の効果を奏することができる。
【００１０】
また、本発明に係る第２の電極−電解質膜積層体の製造方法は、触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造方法であって、アノード導電性多孔質基材を供給する工程と前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極を作製する工程と、カソード導電性多孔質基材を供給する工程と、前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード電極を作製する工程と、電解質膜を供給する工程と、前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１１】
この製造方法によれば、上述した製造方法と同様に第１ダイヘッドのマニホールド角度が第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さくなっているため、両方の触媒層の厚みのバラツキを抑制することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記アノード電極を電解質膜に向けて押圧する工程と、カソード電極を電解質膜に向けて押圧する工程とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
【００１２】
また、本発明に係る第１の触媒層−電解質膜積層体製造装置は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記電解質膜の一方面上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、前記電解質膜の他方面上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記電解質膜に塗工されたアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させる乾燥手段と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１３】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【００１４】
また、本発明に係る第２の触媒層−電解質膜積層体製造装置は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、第１基材シートを供給する第１基材シート供給機構と、前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、第２基材シートを供給する第２基材シート供給機構と、前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記第１又は第２基材シート上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シート及びカソード触媒層転写シートを形成する乾燥手段と、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に、前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に転写させる押圧機構と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１５】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【００１６】
本発明に係る電極−電解質膜積層体製造装置は、触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造装置であって、アノード導電性多孔質基材を供給するアノード導電性多孔質基材供給機構と、前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、カソード導電性多孔質基材を供給するカソード導電性多孔質基材供給機構と、前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記アノード導電性多孔質基材又はカソード導電性多孔質基材上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極及びカソード電極を形成する乾燥手段と、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に、前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に接着させる押圧機構と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１７】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及び雄カソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アノード触媒層及びカソード触媒層の厚みのバラツキを両方とも抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は第１実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図２】図２は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドを示す斜視図である。
【図３】図３は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの上刃を示す正面図（ａ）、及び側面図（ｂ）である。
【図４】図４は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの下刃を示す正面図（ａ）、及び側面図（ｂ）である。
【図５】図５は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの側板を示す正面図である。
【図６】図６は第１実施形態に係る電極−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図７】図７は第２実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図８】図８は第２実施形態に係る反転機構の詳細を示す斜視図である。
【図９】図９は第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図１０】図１０は第４実施形態に係るアノード触媒層転写シート製造装置（ａ）及びカソード触媒層製造装置（ｂ）を示す概略側面図である。
【図１１】図１１は第４実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法を示す説明図である。
【図１２】図１２は第４実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法の他の例を示す概略側面図である。
【図１３】図１３は第５実施形態に係るアノード電極製造装置（ａ）及びカソード電極製造装置（ｂ）を示す概略側面図である。
【図１４】図１４は第５実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法を示す説明図である。
【図１５】図１５は第５実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法の他の例を示す概略側面図である。
【図１６】図１６は実施例の結果、すなわち幅方向における各マニホールド角度毎のアノード触媒層の厚みのバラツキを示すグラフである。
【図１７】図１７は実施例の結果、すなわち幅方向における各マニホールド角度毎のカソード触媒層の厚みのバラツキを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置について図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１に示すように、触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、電解質膜１１を巻き出す巻出部２と、電解質膜１１の上面にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド３ａと、電解質膜１１の下面にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂと、触媒層−電解質膜積層体１３を巻き取る巻取部４と、を備えている。また、アノード触媒層用塗工液の塗工後にこれを乾燥させてアノード触媒層1２ａを形成するための第１乾燥部５ａが第１ダイヘッド３ａの下流に設置されており、カソード触媒層用塗工液の塗工後にこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成するための第２乾燥部５ｂが第２ダイヘッド３ｂの下流に設置されている。なお、上記巻出部２が本発明の電解質膜供給機構に相当する。
【００２２】
巻出部２は、長尺の電解質膜１１が巻かれた巻出ロール２１と、この巻出ロール２１から斜め上方に繰り出された電解質膜１１を水平方向に搬送されるように案内する第１従動ローラ２２とを備えている。巻出ロール２１は第１駆動装置（図示省略）によって回転駆動されるものであり、また、第１従動ローラ２２は、回転自在に設置されており、電解質膜１１が搬送されることに伴い回転するように構成されている。
【００２３】
第１ダイヘッド３ａは、電解質膜１１の上方に設置されており、電解質膜１１の上面にアノード触媒層用塗工液を塗工するように構成されている。この第１ダイヘッド３ａは、図２に示すように、電解質膜１１の搬送方向の下流側に配置された上刃３１と、この上刃３１に対向し上流側に配置された下刃３２と、これら上刃３１及び下刃３２の両側に取り付けられる一対の側板３３とを備えている。
【００２４】
上刃３１は、図３に示すように、正面視矩形状で水平方向が長手方向となるように板状に形成されている。上刃３１の一方の面には、略水平方向に延びる断面半円状のマニホールド３１１が形成されている。このマニホールド３１１は、完全に水平とはなっておらず、中央から両端側に行くに従って下方に下がるように形成されている。このマニホールド３１１から下端に亘って所定厚さｔだけ削られることで、その厚さはマニホールド３１１から上方よりも薄くなっており、これにより排出路３１２が形成されている。なお、この排出路３１２の下端が吐出口３１３となっている。また、マニホールド３１１の中央には、上方へ延びる供給口３１４が形成されており、上刃３１の上面から外部へ開口している。また、上刃３１のマニホールド３１１が形成されている面とは反対側の面は、下方にいくにしたがって薄くなるように形成され、端部が鋭利に形成されている。なお、マニホールド３１１の下方に下がる角度、すなわち、マニホールド３１１と下端の吐出口３１３とがなす角度をマニホールド角度αという。
【００２５】
下刃３２は、図４に示すように、上刃３１と異なりマニホールドや供給口、排出路、吐出口などが形成されておらず、平坦な面が形成されている。また、各側板３３は、図５に示すように板状に形成され、上刃３１と下刃３２とを当接させたときの両側面にそれぞれ取り付けられるように構成されている。したがって、正面視では、五角形状に形成されている。
【００２６】
第２ダイヘッド３ｂは、電解質膜１１の下方に設置されており、電解質膜１１の下面にカソード触媒層１２ｂを塗工するように構成されている。この第２ダイヘッド３ｂは、マニホールド角度αが異なる点以外は上述した第１ダイヘッド３ａと同じ構成となっている。このマニホールド角度αは、アノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド２の方が、カソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂよりも小さくなるよう形成されている。なお、第１ダイヘッド２のマニホールド角度αは、０〜１．５°程度とすることが好ましく、０．５〜１．０°程度とすることがさらに好ましい。また、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αは、０．５〜２°程度とすることが好ましく、１．０〜１．５°程度とすることがさらに好ましい。
【００２７】
巻取部４は、電解質膜１１の両面に触媒層１２が形成された触媒層−電解質膜積層体１３をロール状に巻き取る巻取ロール４１と、水平方向に搬送されていた触媒層−電解質膜積層体１３を巻取ロール４１へと案内する第２従動ローラ４２とを備えている。この巻取ロール４１は第２駆動装置（図示省略）によって回転駆動されるように構成されている。また、第２従動ローラ４２は、上述した第１従動ローラ２２と同様に、回転自在に設置されており、電解質膜１１が搬送されることに伴い回転するように構成されている。
【００２８】
第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂは、温風により乾燥することで第１ダイヘッド３ａや第２ダイヘッド３ｂによって塗工された触媒層用塗工液を乾燥するような構成となっている。
【００２９】
続いて、上記触媒層−電解質膜製造装置１による触媒層−電解質膜積層体１３の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、巻出ロール２１から巻き出されて第１従動ローラ２２によって水平方向に搬送された電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工する。より詳細には、第１ダイヘッド３ａの供給口３１４からアノード触媒層用塗工液を圧入する。こうして圧入されたアノード触媒層用塗工液はマニホールド３１１内を幅方向に広がりながら排出路３１２を下方へと流れていき、下端の吐出口３１３から電解質膜１１上へ塗工される。このように電解質膜１１の上面に塗工されたアノード触媒層用塗工液は、第１乾燥部５ａ内を通過することによって乾燥されてアノード触媒層１２ａが形成される。なお、電解質膜１１は、例えば、Dupont製Nafion（パーフルオロ系樹脂）等種々の材料を用いることができ、その厚さは２５〜１７５μｍ程度とすることが好ましいが特にこれに限定されるものではない。また、このアノード触媒層用塗工液としては、カーボンに白金を担持した燃料電池用触媒をプロトン伝導性のある電解質樹脂溶液に水又はアルコールに分散した触媒インキ等を挙げることができ、この粘度は、せん断速度１００［１／ｓ］のときの値が０．００１〜１Ｐａ・ｓとすることが好ましく、０．０１〜０．１Ｐａ・ｓとすることがさらに好ましい。
【００３１】
次に、第１乾燥部５ａを通過した電解質膜１１の下面に、第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工する。このカソード触媒層用塗工液の塗工の詳細は、上記アノード触媒層用塗工液の塗工と同じであるため、その説明を省略する。なお、カソード触媒層用塗工液は、上述したアノード触媒層用塗工液と同じものを挙げることができ、その粘度は、せん断速度１００［１／ｓ］のときの値が０．００１〜１０Ｐａ・ｓとすることが好ましく０．０８〜１Ｐａ・ｓとすることがさらに好ましい。そして、電解質膜１１の下面に塗工されたカソード触媒層用塗工液は、第２乾燥部５ｂを通過することで乾燥されてカソード触媒層１２ｂが形成される。
【００３２】
以上のように電解質膜１１の両面に触媒層１２を形成することで完成した触媒層−電解質膜積層体１３を、第２従動ローラ４２を介して巻取ロール４１によって巻き取る。このようにして作製したロール状の触媒層−電解質膜積層体１３を枚葉状に切断し、各枚葉状の触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を積層して電極−電解質膜積層体１５を作製してもよい。また、触媒層−電解質膜積層体１３を枚葉状に切断せずに、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を作製することもできる。例えば、図６に示すように、ロール状の触媒層−電解質膜積層体１３を巻き出すとともに、この触媒層−電解質膜積層体１３の上面及び下面のそれぞれにロール状の導電性多孔質基材１４を巻き出し、一対の加圧ローラ６でこれらを挟んで加圧することで、触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４をそれぞれ接着させて電極−電解質膜積層体１５を作製することができる。なお、上記導電性多孔質基材１４としては、カーボン製の繊維や、ペーパー、フェルトなどを用いることができ、この厚さは２０〜４００μｍ程度とすることが好ましいが特にこれに限定されるものではない。
【００３３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、図７に示すように、第１実施形態と同様に、巻出部２、第１ダイヘッド３ａ、第２ダイヘッド３ｂ、巻取部４、並びに、第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂを備えている。第２実施形態特有の構成として、搬送中の電解質膜１１を第２ダイヘッド３ｂの上流において反転させる反転機構７を有しており、第２ダイヘッド３ｂが、電解質膜１１の下方ではなく上方に設置されており、電解質膜１１の上面にカソード触媒層１２ｂを塗工するように構成されている。このように、第２実施形態では、第１ダイヘッド３ａ及び第２ダイヘッド３ｂがともに電解質膜１１の異なる面ではあるが、電解質膜１１の上面に対して触媒層１２を塗工するように構成されている。なお、種々の方法によって電解質膜１１の表面と裏面とを反転させることができるが、このような反転機構の例として、例えば図８に示すように、電解質膜１１の搬送に従って回転するよう設置された第1〜第３反転用従動ローラ７１、７２，７３を第１乾燥部５ａの下流にさらに備えた構成とすることができる。この構成では、水平方向に搬送されてきた電解質膜１１を第１反転用従動ローラ７１によって一旦上方へ搬送するよう向きを変え、第２反転用従動ローラ７２でその上方に搬送されてきた電解質膜１１を下方へ搬送するように向きを変え、第３反転用従動ローラ７３で下方へ搬送されてきた電解質膜１１を再度水平方向に搬送するように向きを変える。そして、第２反転用従動ローラ７２と第３反転用従動ローラ７３との間で電解質膜１１を捩ることで反転させて第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層１２ａが塗工された面を下面とし、何も塗工されていない面を上面とする。そして、第３反転用従動ローラ７３の下流で第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工する。なお、その他の構成や方法などは上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３４】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、図９に示すように、第１実施形態と同様に、巻出部２，第１ダイヘッド３ａ，第２ダイヘッド３ｂ、巻取部４、並びに、第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂを備えている。第３実施形態特有の構成として、第２実施形態と同様に反転機構７を備えており、第１ダイヘッド３ａ及び第２ダイヘッド３ｂがともに電解質膜１１の上方から各触媒層１２を電解質膜１１の異なる面に塗工するように構成されている。この第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１における反転機構７について説明すると、まず、第１実施形態と同様に、巻出ロール２１から巻き出されて第１従動ローラ２２によって水平方向に搬送された電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、この第１乾燥部５ａを出た電解質膜１１を第４反転用従動ローラ７４によって上方に搬送するよう搬送方向を変え、第５反転用従動ローラ７５で再度水平方向に搬送させる。そして、第６反転用従動ローラ７６で下方に進行するよう搬送方向を変え、第７反転用従動ローラ７７で水平方向に搬送させる。なお、この第７反転用従動ローラ７７の下流では電解質膜１１は水平方向に進行するが、その進行方向は、第１ダイヘッド３ａの下流における進行方向とは逆となっているため、アノード触媒層１２ａが形成されていない面が上方を向いた状態で電解質膜１１は搬送されている。そして、この第７反転用従動ローラ７７の下流で第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、これを第２乾燥部５ｂによって乾燥させることでカソード触媒層１２ｂを形成する。なお、この反転用従動ローラの数は特に限定されるものではなく、例えば、第５又は第６反転用従動ローラ７５，７６を省略してもよいし、逆にさらに反転用従動ローラを設置することもできる。また、その他の構成や方法などは上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３５】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の製造方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同様のものについては同一の符号を付してその説明を省略する。まず、図１０（ａ）に示すように、巻出ロール２１ａから第１基材シート１６ａを巻き出し、この上面に第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、基材シート１６ａ上にアノード触媒層１２ａを形成することによってできたアノード触媒層転写シート１７ａを巻取ロール４１ａに巻き取る。また、これと同様に、図１０（ｂ）に示すように、巻出ロール２１ｂから第２基材シート１６ｂを巻出し、この上面に第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、第２乾燥部５ｂによってこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する。そして、第２基材シート１６ｂ上にカソード触媒層１２ｂを形成することによってできたカソード触媒層転写シート１７ｂを巻取ロール４１ｂに巻き取る。なお、各基材シート１６としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ，ＥＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素フィルムや、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド等を使用することができ、その厚さは１２〜１５０μｍ程度とすることが好ましい。なお、巻出部２ａが本発明の第１基材シート供給機構に相当し、巻出部２ｂが本発明の第２基材シート供給機構に相当する。
【００３６】
以上のようにして形成されたロール状の各転写シート１７を枚葉状に切断し、図１１（ａ）に示すように、アノード触媒層転写シート１７ａとカソード触媒層転写シート１７ｂとによって、各触媒層１２が電解質膜１１側を向くように電解質膜１１を挟み、各触媒層転写シート１７の背面側から加圧及び加熱することによって電解質膜に各触媒層１２を接着させる。そして、図１１（ｂ）に示すように各基材シート１６を剥離することによって触媒層−電解質膜積層体１３が完成する。また、この各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を配置することで電極−電解質膜積層体１５が完成する（図１１（ｃ））。
【００３７】
なお、上述したようにロール状の各転写シート１７を枚葉状に切断するのではなく、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を形成することもできる。例えば、図１２に示すように、ロール状の電解質膜１１を巻き出すとともに、この電解質膜１１の上面においてロール状のアノード触媒層転写シート１７ａを巻出し、電解質膜１１の下面においてロール状のカソード触媒層転写シート１７ｂを巻出す。なお、各触媒層転写シート１７は触媒層１２が電解質膜１１と対向するような向きで巻き出される。次に、一対の第１加圧ローラ６ａでこれらを挟んで加圧することで、電解質膜１１の上面にアノード触媒層1２ａを転写し、下面にカソード触媒層１２ｂを転写し、その後、各転写シート１７ａ、ｂの基材シート１６ａ、ｂを剥離してこれを巻き取る。このようにして作製された触媒層−電解質膜積層体１３の上面及び下面のそれぞれにロール状の導電性多孔質基材１４を巻出し、さらに第２加圧ローラ６ｂでこれらを挟んで加圧することで、触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を接着させて電極−電解質膜積層体１５を作製することができる。なお、第１加圧ローラ６ａが本発明の押圧機構に相当する。
【００３８】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の製造方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同様のものについては同一の符号を付してその説明を省略する。まず、図１３（ａ）に示すように、巻出ロール２１ａからアノード導電性多孔質基材１４ａを巻き出し、この上面に第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、アノード導電性多孔質基材１４ａ上にアノード触媒層１２ａを形成することによってできたアノード電極１８ａを巻取ロール４１ａに巻き取る。また、これと同様に、図１３（ｂ）に示すように、巻出ロール２１ｂからカソード導電性多孔質基材１４ｂを巻出し、この上面に第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、第２乾燥部５ｂによってこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する。そして、カソード導電性多孔質基材１４ｂ上にカソード触媒層１２ｂを形成することによってできたカソード電極１８ｂを巻取ロール４１ｂに巻き取る。
【００３９】
以上のようにして形成されたロール状の電極１８を枚葉状に切断し、図１４に示すように、アノード電極１８ａとカソード電極１８ｂとによって、各触媒層１２が電解質膜１１側を向くように電解質膜１１を挟み、各電極１８の背面側から加圧及び加熱することによって電解質膜１１に各電極１８を接着させることで電極−電解質膜積層体１５が完成する。
【００４０】
なお、上述したようにロール状の電極１８を枚葉状に切断するのではなく、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を形成することもできる。例えば図１５に示すように、ロール状の電解質膜１１を巻き出すとともに、この電解質膜１１の上面において触媒層１２ａが電解質膜１１と対向するようにロール状のアノード電極１８ａを巻き出し、また、電解質膜１１の下面においてロール状のカソード電極１８ｂを触媒層１２ｂが電解質膜１１と対向するように巻き出す。そして、一対の加圧ローラ６によってこれらを挟んで加圧することで、電解質膜１１と各触媒層１２とを接合させて電極−電解質膜積層体１５が完成する。なお、この加圧ローラ６が本発明の押圧機構に相当する。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４２】
例えば、上記各実施形態では、アノード及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させるための乾燥手段として、第１及び第２乾燥部を設けていたが、自然乾燥させることもできる。また、第１ダイヘッド３ａ下流の第１乾燥部５ａを省略して、第２乾燥部５ｂのみでアノード及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させることもできる。
【実施例】
【００４３】
まず、表１に示すような配合でアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液をそれぞれ作製した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
このようなアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を、図２及び３に示すような構成のダイヘッドを使用して厚さ２５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに幅１００mmで塗工した。なお、ダイヘッドは、マニホールド角度αが異なるものを５種類用意した。この５種類のダイヘッドによってＰＥＴフィルムに塗工し、その幅方向の中心から幅方向に１０ｍｍ間隔で触媒層の厚みを測定し、この厚みの測定値を表２に示した。なお、幅方向の端部は実際には切断して製品として使用されない領域であるため、中央から幅方向に４０ｍｍずつ計８０ｍｍの領域のみを測定した。また、アノード触媒層の厚みのバラツキ結果をグラフにしたものを図１６に示し、カソード触媒層の厚みのバラツキ結果をグラフにしたものを図１７に示した。なお、各グラフの縦軸の目盛り間隔は２μｍである。また、各グラフは、測定した厚みを示すものではなく、厚みのバラツキを示すものである。
【００４６】
【表２】
【００４７】
この表２及び各グラフから分かるように、触媒層を幅方向に均一の厚さで塗るためには、アノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド３ａと、カソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂとのマニホールド角度αを異なる値とすることが好ましい、すなわち、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αを第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αよりも小さくした方が好ましいことが分かった。そして、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αは０．５〜１．０°とすることで幅方向における触媒層の厚みのバラツキがもっとも小さくなり、また、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αは１．０〜１．５°とすることで幅方向における触媒層の厚みのバラツキがもっとも小さくなることも分かった。
【符号の説明】
【００４８】
１ 触媒層−電解質膜積層体製造装置
２ 巻出部
３ａ 第１ダイヘッド
３ｂ 第２ダイヘッド
５ａ 第１乾燥部（乾燥手段）
５ｂ 第２乾燥部（乾燥手段）
１１ 電解質膜
１２ａ アノード触媒層
１２ｂ カソード触媒層
１３ 触媒層−電解質膜積層体
１４ 導電性多孔質基材
１５ 電極−電解質膜積層体
１６ａ 第１基材シート
１６ｂ 第２基材シート
１７ａ アノード触媒層転写シート
１７ｂ カソード触媒層転写シート
１８ａ アノード電極
１８ｂ カソード電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層−電解質膜積層体及び電極−電解質膜積層体の製造方法及び製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、触媒層及び導電性多孔質基材からなる電極を電解質膜の両面に形成した電極−電解質膜積層体（ＭＥＡ）を主な構成としている。この電極−電解質膜積層体の製造方法として、例えば、特許文献１に示されるような、電解質膜を準備し、この電解質膜の両面にダイヘッドによって触媒層を塗工し、これに導電性多孔質基材を積層する方法が一般的に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６８４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した方法で形成した触媒層は、アノード側及びカソード側の少なくともどちらかの触媒層の厚みにばらつきが生じるといった問題があった。このように各触媒層の厚みにばらつきが生じると発電にバラツキが生じ性能低下を招くという問題がある。そこで、本発明は、アノード側及びカソード側の両方の触媒層の厚みのバラツキを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る第１の触媒層−電解質膜積層体の製造方法は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、電解質膜を供給する工程と、前記電解質膜の一方面上に、第１ダイヘッドによりアノード触媒層用塗工液を塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層を形成する工程と、前記電解質膜の他方面上に、第２ダイヘッドによりカソード触媒層用塗工液を塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層を形成する工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【０００６】
上記製造方法では、第１及び第２ダイヘッドのマニホールドにマニホールド角度を付けることによって、塗工液がダイヘッドに注入されてから吐出されるまでの距離をダイヘッドの幅方向において調整し、幅方向における触媒層の厚みのバラツキを抑えることができる。また、一般的に、アノード触媒層用塗工液はカソード触媒層用塗工液よりも粘度の低いものが用いられるため、同じマニホールド角度を有するダイヘッドを用いてアノード触媒層用塗工液とカソード触媒層用塗工液を塗工すると、どちらかの触媒層に厚みのバラツキが発生する可能性があった。これに対して、本発明に係る製造方法では、一般的にカソード触媒層用塗工液よりも粘度の低いアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドのマニホールド角度を第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さくしているため、アノード触媒層とカソード触媒層の両方の触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層塗工液を塗工することでより触媒層の厚みのバラツキを抑制することができる。
【０００７】
本発明に係る第２の触媒層−電解質膜積層体の製造方法は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、第１基材シートを供給する工程と、前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シートを作製する工程と、第２基材シートを供給する工程と、前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層転写シートを作製する工程と、電解質膜を供給する工程と、前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層を前記電解質膜の一方面上に転写する工程と、前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層を前記電解質膜の他方面上に転写する工程と、前記各触媒層が電解質膜に転写された後の各基材シートを剥離する工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【０００８】
この製造方法によれば、上記第１の触媒層−電解質膜積層体の製造方法と同様に、第１ダイヘッドのマニホールド角度が第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したのと同様の効果を奏することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することでより触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記アノード触媒層を電解質膜の一方面上に転写する工程と、カソード触媒層を電解質膜の他方面上に転写する工程とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
【０００９】
また、本発明に係る第１の電極−電解質膜積層体の製造方法は、上記いずれかの触媒層−電解質膜積層体の製造方法と、前記各触媒層上に導電性多孔質基材を積層する工程と、を含む。この製造方法によれば、上述したいずれかの触媒層−電解質膜積層体の製造方法を含んでいるため、上述したのと同様の効果を奏することができる。
【００１０】
また、本発明に係る第２の電極−電解質膜積層体の製造方法は、触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造方法であって、アノード導電性多孔質基材を供給する工程と前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極を作製する工程と、カソード導電性多孔質基材を供給する工程と、前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード電極を作製する工程と、電解質膜を供給する工程と、前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、を含み、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１１】
この製造方法によれば、上述した製造方法と同様に第１ダイヘッドのマニホールド角度が第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さくなっているため、両方の触媒層の厚みのバラツキを抑制することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記アノード電極を電解質膜に向けて押圧する工程と、カソード電極を電解質膜に向けて押圧する工程とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。
【００１２】
また、本発明に係る第１の触媒層−電解質膜積層体製造装置は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記電解質膜の一方面上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、前記電解質膜の他方面上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記電解質膜に塗工されたアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させる乾燥手段と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１３】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【００１４】
また、本発明に係る第２の触媒層−電解質膜積層体製造装置は、電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、第１基材シートを供給する第１基材シート供給機構と、前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、第２基材シートを供給する第２基材シート供給機構と、前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記第１又は第２基材シート上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シート及びカソード触媒層転写シートを形成する乾燥手段と、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に、前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に転写させる押圧機構と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１５】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【００１６】
本発明に係る電極−電解質膜積層体製造装置は、触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造装置であって、アノード導電性多孔質基材を供給するアノード導電性多孔質基材供給機構と、前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、カソード導電性多孔質基材を供給するカソード導電性多孔質基材供給機構と、前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、前記アノード導電性多孔質基材又はカソード導電性多孔質基材上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極及びカソード電極を形成する乾燥手段と、電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に、前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に接着させる押圧機構と、を備え、前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい。
【００１７】
この構成によれば、第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さく構成されているため、上述したように両方の触媒層の厚みのバラツキを防止することができる。また、この場合も、第１ダイヘッドは、マニホールド角度を０．５〜１．０°とするとともに、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、また第２ダイヘッドは、マニホールド角度を１．０〜１．５°とするとともに、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工することで、より触媒層のバラツキを抑制することができる。なお、上記乾燥手段は、アノード触媒層用塗工液及び雄カソード触媒層用塗工液を同時に乾燥させてもよいし、または、各触媒層を別々に乾燥させてもよい。また、上記乾燥手段は自然乾燥も含む概念である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アノード触媒層及びカソード触媒層の厚みのバラツキを両方とも抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は第１実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図２】図２は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドを示す斜視図である。
【図３】図３は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの上刃を示す正面図（ａ）、及び側面図（ｂ）である。
【図４】図４は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの下刃を示す正面図（ａ）、及び側面図（ｂ）である。
【図５】図５は第１実施形態に係る第１又は第２ダイヘッドの側板を示す正面図である。
【図６】図６は第１実施形態に係る電極−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図７】図７は第２実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図８】図８は第２実施形態に係る反転機構の詳細を示す斜視図である。
【図９】図９は第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置を示す概略側面図である。
【図１０】図１０は第４実施形態に係るアノード触媒層転写シート製造装置（ａ）及びカソード触媒層製造装置（ｂ）を示す概略側面図である。
【図１１】図１１は第４実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法を示す説明図である。
【図１２】図１２は第４実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法の他の例を示す概略側面図である。
【図１３】図１３は第５実施形態に係るアノード電極製造装置（ａ）及びカソード電極製造装置（ｂ）を示す概略側面図である。
【図１４】図１４は第５実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法を示す説明図である。
【図１５】図１５は第５実施形態に係る電極−電解質膜積層体の製造方法の他の例を示す概略側面図である。
【図１６】図１６は実施例の結果、すなわち幅方向における各マニホールド角度毎のアノード触媒層の厚みのバラツキを示すグラフである。
【図１７】図１７は実施例の結果、すなわち幅方向における各マニホールド角度毎のカソード触媒層の厚みのバラツキを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置について図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１に示すように、触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、電解質膜１１を巻き出す巻出部２と、電解質膜１１の上面にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド３ａと、電解質膜１１の下面にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂと、触媒層−電解質膜積層体１３を巻き取る巻取部４と、を備えている。また、アノード触媒層用塗工液の塗工後にこれを乾燥させてアノード触媒層1２ａを形成するための第１乾燥部５ａが第１ダイヘッド３ａの下流に設置されており、カソード触媒層用塗工液の塗工後にこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成するための第２乾燥部５ｂが第２ダイヘッド３ｂの下流に設置されている。なお、上記巻出部２が本発明の電解質膜供給機構に相当する。
【００２２】
巻出部２は、長尺の電解質膜１１が巻かれた巻出ロール２１と、この巻出ロール２１から斜め上方に繰り出された電解質膜１１を水平方向に搬送されるように案内する第１従動ローラ２２とを備えている。巻出ロール２１は第１駆動装置（図示省略）によって回転駆動されるものであり、また、第１従動ローラ２２は、回転自在に設置されており、電解質膜１１が搬送されることに伴い回転するように構成されている。
【００２３】
第１ダイヘッド３ａは、電解質膜１１の上方に設置されており、電解質膜１１の上面にアノード触媒層用塗工液を塗工するように構成されている。この第１ダイヘッド３ａは、図２に示すように、電解質膜１１の搬送方向の下流側に配置された上刃３１と、この上刃３１に対向し上流側に配置された下刃３２と、これら上刃３１及び下刃３２の両側に取り付けられる一対の側板３３とを備えている。
【００２４】
上刃３１は、図３に示すように、正面視矩形状で水平方向が長手方向となるように板状に形成されている。上刃３１の一方の面には、略水平方向に延びる断面半円状のマニホールド３１１が形成されている。このマニホールド３１１は、完全に水平とはなっておらず、中央から両端側に行くに従って下方に下がるように形成されている。このマニホールド３１１から下端に亘って所定厚さｔだけ削られることで、その厚さはマニホールド３１１から上方よりも薄くなっており、これにより排出路３１２が形成されている。なお、この排出路３１２の下端が吐出口３１３となっている。また、マニホールド３１１の中央には、上方へ延びる供給口３１４が形成されており、上刃３１の上面から外部へ開口している。また、上刃３１のマニホールド３１１が形成されている面とは反対側の面は、下方にいくにしたがって薄くなるように形成され、端部が鋭利に形成されている。なお、マニホールド３１１の下方に下がる角度、すなわち、マニホールド３１１と下端の吐出口３１３とがなす角度をマニホールド角度αという。
【００２５】
下刃３２は、図４に示すように、上刃３１と異なりマニホールドや供給口、排出路、吐出口などが形成されておらず、平坦な面が形成されている。また、各側板３３は、図５に示すように板状に形成され、上刃３１と下刃３２とを当接させたときの両側面にそれぞれ取り付けられるように構成されている。したがって、正面視では、五角形状に形成されている。
【００２６】
第２ダイヘッド３ｂは、電解質膜１１の下方に設置されており、電解質膜１１の下面にカソード触媒層１２ｂを塗工するように構成されている。この第２ダイヘッド３ｂは、マニホールド角度αが異なる点以外は上述した第１ダイヘッド３ａと同じ構成となっている。このマニホールド角度αは、アノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド２の方が、カソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂよりも小さくなるよう形成されている。なお、第１ダイヘッド２のマニホールド角度αは、０〜１．５°程度とすることが好ましく、０．５〜１．０°程度とすることがさらに好ましい。また、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αは、０．５〜２°程度とすることが好ましく、１．０〜１．５°程度とすることがさらに好ましい。
【００２７】
巻取部４は、電解質膜１１の両面に触媒層１２が形成された触媒層−電解質膜積層体１３をロール状に巻き取る巻取ロール４１と、水平方向に搬送されていた触媒層−電解質膜積層体１３を巻取ロール４１へと案内する第２従動ローラ４２とを備えている。この巻取ロール４１は第２駆動装置（図示省略）によって回転駆動されるように構成されている。また、第２従動ローラ４２は、上述した第１従動ローラ２２と同様に、回転自在に設置されており、電解質膜１１が搬送されることに伴い回転するように構成されている。
【００２８】
第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂは、温風により乾燥することで第１ダイヘッド３ａや第２ダイヘッド３ｂによって塗工された触媒層用塗工液を乾燥するような構成となっている。
【００２９】
続いて、上記触媒層−電解質膜製造装置１による触媒層−電解質膜積層体１３の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、巻出ロール２１から巻き出されて第１従動ローラ２２によって水平方向に搬送された電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工する。より詳細には、第１ダイヘッド３ａの供給口３１４からアノード触媒層用塗工液を圧入する。こうして圧入されたアノード触媒層用塗工液はマニホールド３１１内を幅方向に広がりながら排出路３１２を下方へと流れていき、下端の吐出口３１３から電解質膜１１上へ塗工される。このように電解質膜１１の上面に塗工されたアノード触媒層用塗工液は、第１乾燥部５ａ内を通過することによって乾燥されてアノード触媒層１２ａが形成される。なお、電解質膜１１は、例えば、Dupont製Nafion（パーフルオロ系樹脂）等種々の材料を用いることができ、その厚さは２５〜１７５μｍ程度とすることが好ましいが特にこれに限定されるものではない。また、このアノード触媒層用塗工液としては、カーボンに白金を担持した燃料電池用触媒をプロトン伝導性のある電解質樹脂溶液に水又はアルコールに分散した触媒インキ等を挙げることができ、この粘度は、せん断速度１００［１／ｓ］のときの値が０．００１〜１Ｐａ・ｓとすることが好ましく、０．０１〜０．１Ｐａ・ｓとすることがさらに好ましい。
【００３１】
次に、第１乾燥部５ａを通過した電解質膜１１の下面に、第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工する。このカソード触媒層用塗工液の塗工の詳細は、上記アノード触媒層用塗工液の塗工と同じであるため、その説明を省略する。なお、カソード触媒層用塗工液は、上述したアノード触媒層用塗工液と同じものを挙げることができ、その粘度は、せん断速度１００［１／ｓ］のときの値が０．００１〜１０Ｐａ・ｓとすることが好ましく０．０８〜１Ｐａ・ｓとすることがさらに好ましい。そして、電解質膜１１の下面に塗工されたカソード触媒層用塗工液は、第２乾燥部５ｂを通過することで乾燥されてカソード触媒層１２ｂが形成される。
【００３２】
以上のように電解質膜１１の両面に触媒層１２を形成することで完成した触媒層−電解質膜積層体１３を、第２従動ローラ４２を介して巻取ロール４１によって巻き取る。このようにして作製したロール状の触媒層−電解質膜積層体１３を枚葉状に切断し、各枚葉状の触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を積層して電極−電解質膜積層体１５を作製してもよい。また、触媒層−電解質膜積層体１３を枚葉状に切断せずに、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を作製することもできる。例えば、図６に示すように、ロール状の触媒層−電解質膜積層体１３を巻き出すとともに、この触媒層−電解質膜積層体１３の上面及び下面のそれぞれにロール状の導電性多孔質基材１４を巻き出し、一対の加圧ローラ６でこれらを挟んで加圧することで、触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４をそれぞれ接着させて電極−電解質膜積層体１５を作製することができる。なお、上記導電性多孔質基材１４としては、カーボン製の繊維や、ペーパー、フェルトなどを用いることができ、この厚さは２０〜４００μｍ程度とすることが好ましいが特にこれに限定されるものではない。
【００３３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、図７に示すように、第１実施形態と同様に、巻出部２、第１ダイヘッド３ａ、第２ダイヘッド３ｂ、巻取部４、並びに、第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂを備えている。第２実施形態特有の構成として、搬送中の電解質膜１１を第２ダイヘッド３ｂの上流において反転させる反転機構７を有しており、第２ダイヘッド３ｂが、電解質膜１１の下方ではなく上方に設置されており、電解質膜１１の上面にカソード触媒層１２ｂを塗工するように構成されている。このように、第２実施形態では、第１ダイヘッド３ａ及び第２ダイヘッド３ｂがともに電解質膜１１の異なる面ではあるが、電解質膜１１の上面に対して触媒層１２を塗工するように構成されている。なお、種々の方法によって電解質膜１１の表面と裏面とを反転させることができるが、このような反転機構の例として、例えば図８に示すように、電解質膜１１の搬送に従って回転するよう設置された第1〜第３反転用従動ローラ７１、７２，７３を第１乾燥部５ａの下流にさらに備えた構成とすることができる。この構成では、水平方向に搬送されてきた電解質膜１１を第１反転用従動ローラ７１によって一旦上方へ搬送するよう向きを変え、第２反転用従動ローラ７２でその上方に搬送されてきた電解質膜１１を下方へ搬送するように向きを変え、第３反転用従動ローラ７３で下方へ搬送されてきた電解質膜１１を再度水平方向に搬送するように向きを変える。そして、第２反転用従動ローラ７２と第３反転用従動ローラ７３との間で電解質膜１１を捩ることで反転させて第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層１２ａが塗工された面を下面とし、何も塗工されていない面を上面とする。そして、第３反転用従動ローラ７３の下流で第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工する。なお、その他の構成や方法などは上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３４】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１は、図９に示すように、第１実施形態と同様に、巻出部２，第１ダイヘッド３ａ，第２ダイヘッド３ｂ、巻取部４、並びに、第１及び第２乾燥部５ａ、５ｂを備えている。第３実施形態特有の構成として、第２実施形態と同様に反転機構７を備えており、第１ダイヘッド３ａ及び第２ダイヘッド３ｂがともに電解質膜１１の上方から各触媒層１２を電解質膜１１の異なる面に塗工するように構成されている。この第３実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体製造装置１における反転機構７について説明すると、まず、第１実施形態と同様に、巻出ロール２１から巻き出されて第１従動ローラ２２によって水平方向に搬送された電解質膜１１の上面に、第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、この第１乾燥部５ａを出た電解質膜１１を第４反転用従動ローラ７４によって上方に搬送するよう搬送方向を変え、第５反転用従動ローラ７５で再度水平方向に搬送させる。そして、第６反転用従動ローラ７６で下方に進行するよう搬送方向を変え、第７反転用従動ローラ７７で水平方向に搬送させる。なお、この第７反転用従動ローラ７７の下流では電解質膜１１は水平方向に進行するが、その進行方向は、第１ダイヘッド３ａの下流における進行方向とは逆となっているため、アノード触媒層１２ａが形成されていない面が上方を向いた状態で電解質膜１１は搬送されている。そして、この第７反転用従動ローラ７７の下流で第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、これを第２乾燥部５ｂによって乾燥させることでカソード触媒層１２ｂを形成する。なお、この反転用従動ローラの数は特に限定されるものではなく、例えば、第５又は第６反転用従動ローラ７５，７６を省略してもよいし、逆にさらに反転用従動ローラを設置することもできる。また、その他の構成や方法などは上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３５】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の製造方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同様のものについては同一の符号を付してその説明を省略する。まず、図１０（ａ）に示すように、巻出ロール２１ａから第１基材シート１６ａを巻き出し、この上面に第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、基材シート１６ａ上にアノード触媒層１２ａを形成することによってできたアノード触媒層転写シート１７ａを巻取ロール４１ａに巻き取る。また、これと同様に、図１０（ｂ）に示すように、巻出ロール２１ｂから第２基材シート１６ｂを巻出し、この上面に第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、第２乾燥部５ｂによってこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する。そして、第２基材シート１６ｂ上にカソード触媒層１２ｂを形成することによってできたカソード触媒層転写シート１７ｂを巻取ロール４１ｂに巻き取る。なお、各基材シート１６としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ，ＥＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素フィルムや、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド等を使用することができ、その厚さは１２〜１５０μｍ程度とすることが好ましい。なお、巻出部２ａが本発明の第１基材シート供給機構に相当し、巻出部２ｂが本発明の第２基材シート供給機構に相当する。
【００３６】
以上のようにして形成されたロール状の各転写シート１７を枚葉状に切断し、図１１（ａ）に示すように、アノード触媒層転写シート１７ａとカソード触媒層転写シート１７ｂとによって、各触媒層１２が電解質膜１１側を向くように電解質膜１１を挟み、各触媒層転写シート１７の背面側から加圧及び加熱することによって電解質膜に各触媒層１２を接着させる。そして、図１１（ｂ）に示すように各基材シート１６を剥離することによって触媒層−電解質膜積層体１３が完成する。また、この各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を配置することで電極−電解質膜積層体１５が完成する（図１１（ｃ））。
【００３７】
なお、上述したようにロール状の各転写シート１７を枚葉状に切断するのではなく、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を形成することもできる。例えば、図１２に示すように、ロール状の電解質膜１１を巻き出すとともに、この電解質膜１１の上面においてロール状のアノード触媒層転写シート１７ａを巻出し、電解質膜１１の下面においてロール状のカソード触媒層転写シート１７ｂを巻出す。なお、各触媒層転写シート１７は触媒層１２が電解質膜１１と対向するような向きで巻き出される。次に、一対の第１加圧ローラ６ａでこれらを挟んで加圧することで、電解質膜１１の上面にアノード触媒層1２ａを転写し、下面にカソード触媒層１２ｂを転写し、その後、各転写シート１７ａ、ｂの基材シート１６ａ、ｂを剥離してこれを巻き取る。このようにして作製された触媒層−電解質膜積層体１３の上面及び下面のそれぞれにロール状の導電性多孔質基材１４を巻出し、さらに第２加圧ローラ６ｂでこれらを挟んで加圧することで、触媒層−電解質膜積層体１３の各触媒層１２上に導電性多孔質基材１４を接着させて電極−電解質膜積層体１５を作製することができる。なお、第１加圧ローラ６ａが本発明の押圧機構に相当する。
【００３８】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る触媒層−電解質膜積層体の製造方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同様のものについては同一の符号を付してその説明を省略する。まず、図１３（ａ）に示すように、巻出ロール２１ａからアノード導電性多孔質基材１４ａを巻き出し、この上面に第１ダイヘッド３ａによってアノード触媒層用塗工液を塗工し、第１乾燥部５ａによってこれを乾燥させてアノード触媒層１２ａを形成する。そして、アノード導電性多孔質基材１４ａ上にアノード触媒層１２ａを形成することによってできたアノード電極１８ａを巻取ロール４１ａに巻き取る。また、これと同様に、図１３（ｂ）に示すように、巻出ロール２１ｂからカソード導電性多孔質基材１４ｂを巻出し、この上面に第２ダイヘッド３ｂによってカソード触媒層用塗工液を塗工し、第２乾燥部５ｂによってこれを乾燥させてカソード触媒層１２ｂを形成する。そして、カソード導電性多孔質基材１４ｂ上にカソード触媒層１２ｂを形成することによってできたカソード電極１８ｂを巻取ロール４１ｂに巻き取る。
【００３９】
以上のようにして形成されたロール状の電極１８を枚葉状に切断し、図１４に示すように、アノード電極１８ａとカソード電極１８ｂとによって、各触媒層１２が電解質膜１１側を向くように電解質膜１１を挟み、各電極１８の背面側から加圧及び加熱することによって電解質膜１１に各電極１８を接着させることで電極−電解質膜積層体１５が完成する。
【００４０】
なお、上述したようにロール状の電極１８を枚葉状に切断するのではなく、ロール状のままで電極−電解質膜積層体１５を形成することもできる。例えば図１５に示すように、ロール状の電解質膜１１を巻き出すとともに、この電解質膜１１の上面において触媒層１２ａが電解質膜１１と対向するようにロール状のアノード電極１８ａを巻き出し、また、電解質膜１１の下面においてロール状のカソード電極１８ｂを触媒層１２ｂが電解質膜１１と対向するように巻き出す。そして、一対の加圧ローラ６によってこれらを挟んで加圧することで、電解質膜１１と各触媒層１２とを接合させて電極−電解質膜積層体１５が完成する。なお、この加圧ローラ６が本発明の押圧機構に相当する。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４２】
例えば、上記各実施形態では、アノード及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させるための乾燥手段として、第１及び第２乾燥部を設けていたが、自然乾燥させることもできる。また、第１ダイヘッド３ａ下流の第１乾燥部５ａを省略して、第２乾燥部５ｂのみでアノード及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させることもできる。
【実施例】
【００４３】
まず、表１に示すような配合でアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液をそれぞれ作製した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
このようなアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を、図２及び３に示すような構成のダイヘッドを使用して厚さ２５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに幅１００mmで塗工した。なお、ダイヘッドは、マニホールド角度αが異なるものを５種類用意した。この５種類のダイヘッドによってＰＥＴフィルムに塗工し、その幅方向の中心から幅方向に１０ｍｍ間隔で触媒層の厚みを測定し、この厚みの測定値を表２に示した。なお、幅方向の端部は実際には切断して製品として使用されない領域であるため、中央から幅方向に４０ｍｍずつ計８０ｍｍの領域のみを測定した。また、アノード触媒層の厚みのバラツキ結果をグラフにしたものを図１６に示し、カソード触媒層の厚みのバラツキ結果をグラフにしたものを図１７に示した。なお、各グラフの縦軸の目盛り間隔は２μｍである。また、各グラフは、測定した厚みを示すものではなく、厚みのバラツキを示すものである。
【００４６】
【表２】
【００４７】
この表２及び各グラフから分かるように、触媒層を幅方向に均一の厚さで塗るためには、アノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッド３ａと、カソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッド３ｂとのマニホールド角度αを異なる値とすることが好ましい、すなわち、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αを第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αよりも小さくした方が好ましいことが分かった。そして、第１ダイヘッド３ａのマニホールド角度αは０．５〜１．０°とすることで幅方向における触媒層の厚みのバラツキがもっとも小さくなり、また、第２ダイヘッド３ｂのマニホールド角度αは１．０〜１．５°とすることで幅方向における触媒層の厚みのバラツキがもっとも小さくなることも分かった。
【符号の説明】
【００４８】
１ 触媒層−電解質膜積層体製造装置
２ 巻出部
３ａ 第１ダイヘッド
３ｂ 第２ダイヘッド
５ａ 第１乾燥部（乾燥手段）
５ｂ 第２乾燥部（乾燥手段）
１１ 電解質膜
１２ａ アノード触媒層
１２ｂ カソード触媒層
１３ 触媒層−電解質膜積層体
１４ 導電性多孔質基材
１５ 電極−電解質膜積層体
１６ａ 第１基材シート
１６ｂ 第２基材シート
１７ａ アノード触媒層転写シート
１７ｂ カソード触媒層転写シート
１８ａ アノード電極
１８ｂ カソード電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、
電解質膜を供給する工程と、
前記電解質膜の一方面上に、第１ダイヘッドによりアノード触媒層用塗工液を塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜の他方面上に、第２ダイヘッドによりカソード触媒層用塗工液を塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層を形成する工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項２】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層塗工液を塗工する、請求項１に記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項３】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、
第１基材シートを供給する工程と、
前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シートを作製する工程と、
第２基材シートを供給する工程と、
前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層転写シートを作製する工程と、
電解質膜を供給する工程と、
前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層を前記電解質膜の一方面上に転写する工程と、
前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層を前記電解質膜の他方面上に転写する工程と、
前記各触媒層が電解質膜に転写された後の各基材シートを剥離する工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項４】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項３に記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法と、
前記各触媒層上に導電性多孔質基材を積層する工程と、
を含む、電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項６】
触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造方法であって、
アノード導電性多孔質基材を供給する工程と
前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極を作製する工程と、
カソード導電性多孔質基材を供給する工程と、
前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード電極を作製する工程と、
電解質膜を供給する工程と、
前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、
前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項７】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項６に記載の電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項８】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記電解質膜の一方面上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
前記電解質膜の他方面上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記電解質膜に塗工されたアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させる乾燥手段と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項９】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項８に記載の触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１０】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、
第１基材シートを供給する第１基材シート供給機構と、
前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
第２基材シートを供給する第２基材シート供給機構と、
前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記第１又は第２基材シート上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シート及びカソード触媒層転写シートを形成する乾燥手段と、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に、前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に転写させる押圧機構と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１１】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項１０に記載の触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１２】
触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造装置であって、
アノード導電性多孔質基材を供給するアノード導電性多孔質基材供給機構と、
前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
カソード導電性多孔質基材を供給するカソード導電性多孔質基材供給機構と、
前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記アノード導電性多孔質基材又はカソード導電性多孔質基材上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極及びカソード電極を形成する乾燥手段と、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に、前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に接着させる押圧機構と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、電極−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１３】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項１２に記載の電極−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、
電解質膜を供給する工程と、
前記電解質膜の一方面上に、第１ダイヘッドによりアノード触媒層用塗工液を塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜の他方面上に、第２ダイヘッドによりカソード触媒層用塗工液を塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層を形成する工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項２】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層塗工液を塗工する、請求項１に記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項３】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体の製造方法であって、
第１基材シートを供給する工程と、
前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シートを作製する工程と、
第２基材シートを供給する工程と、
前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード触媒層転写シートを作製する工程と、
電解質膜を供給する工程と、
前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層を前記電解質膜の一方面上に転写する工程と、
前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層を前記電解質膜の他方面上に転写する工程と、
前記各触媒層が電解質膜に転写された後の各基材シートを剥離する工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項４】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項３に記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の触媒層−電解質膜積層体の製造方法と、
前記各触媒層上に導電性多孔質基材を積層する工程と、
を含む、電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項６】
触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造方法であって、
アノード導電性多孔質基材を供給する工程と
前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を第１ダイヘッドによって塗工し、前記アノード触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極を作製する工程と、
カソード導電性多孔質基材を供給する工程と、
前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を第２ダイヘッドによって塗工し、前記カソード触媒層用塗工液を乾燥させてカソード電極を作製する工程と、
電解質膜を供給する工程と、
前記アノード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に向けて押圧して前記アノード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、
前記カソード触媒層が前記電解質膜と対向した状態で前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧して前記カソード触媒層と前記電解質膜とを接着させる工程と、を含み、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項７】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項６に記載の電極−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項８】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記電解質膜の一方面上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
前記電解質膜の他方面上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記電解質膜に塗工されたアノード触媒層用塗工液及びカソード触媒層用塗工液を乾燥させる乾燥手段と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項９】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項８に記載の触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１０】
電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を製造する装置であって、
第１基材シートを供給する第１基材シート供給機構と、
前記第１基材シート上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
第２基材シートを供給する第２基材シート供給機構と、
前記第２基材シート上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記第１又は第２基材シート上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード触媒層転写シート及びカソード触媒層転写シートを形成する乾燥手段と、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード触媒層転写シートを前記電解質膜の一方面上に、前記カソード触媒層転写シートを前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に転写させる押圧機構と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１１】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項１０に記載の触媒層−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１２】
触媒層及び導電性多孔質基材を有する電極が電解質膜の両面に形成された電極−電解質膜積層体の製造装置であって、
アノード導電性多孔質基材を供給するアノード導電性多孔質基材供給機構と、
前記アノード導電性多孔質基材上にアノード触媒層用塗工液を塗工する第１ダイヘッドと、
カソード導電性多孔質基材を供給するカソード導電性多孔質基材供給機構と、
前記カソード導電性多孔質基材上にカソード触媒層用塗工液を塗工する第２ダイヘッドと、
前記アノード導電性多孔質基材又はカソード導電性多孔質基材上に塗工されたアノード及びカソード用触媒層用塗工液を乾燥させてアノード電極及びカソード電極を形成する乾燥手段と、
電解質膜を供給する電解質膜供給機構と、
前記各触媒層が前記電解質膜と対向した状態で、前記アノード電極を前記電解質膜の一方面上に、前記カソード電極を前記電解質膜の他方面上に向けて押圧し前記各触媒層を前記電解質膜に接着させる押圧機構と、を備え、
前記第１ダイヘッドのマニホールド角度は、前記第２ダイヘッドのマニホールド角度よりも小さい、電極−電解質膜積層体製造装置。
【請求項１３】
前記第１ダイヘッドは、マニホールド角度が０．５〜１．０°であり、粘度が０．０３〜０．０８Ｐａ・ｓのアノード触媒層用塗工液を塗工し、
前記第２ダイヘッドは、マニホールド角度が１．０〜１．５°であり、粘度が０．１〜０．６Ｐａ・ｓのカソード触媒層用塗工液を塗工する、請求項１２に記載の電極−電解質膜積層体製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−６５７５８（Ｐ２０１１−６５７５８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１２８４０（Ｐ２００９−２１２８４０）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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