JP5920479B2

JP5920479B2 - 塗布装置

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Publication number: JP5920479B2
Application number: JP2014538294A
Authority: JP
Inventors: 剣一豊島; 圭小野; 将也山本; 哲史堀部; 貴行寺崎
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Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-05-25
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Description

本発明は、シート部材に材料を塗布する塗布装置に関する。

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への負荷が少ないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。

固体高分子形の燃料電池は、電解質膜、当該膜の両面に形成される触媒層、ガス拡散層（ＧＤＬ）等を有する膜−電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ以下、ＭＥＡと称する）を含む。ＭＥＡがセパレーターを介して複数積層されて燃料電池が構成される。

ＭＥＡの製造に際して、電解質膜の両面に電極触媒層を形成する技術として、電解質膜に触媒インクを塗布する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の方法では、電解質膜に、その外周部を挟み込むように外周枠シートを取り付けている。外周枠シートの開口部に多孔質シートを配置し、多孔質シートを介して電解質膜を真空吸引しながら触媒インクを塗布している。多孔質シートは、触媒インクが塗布される塗布領域を保護している。

特開２００９−１２９７７７号公報

特許文献１記載の方法では、多孔質シートを介して電解質膜を真空吸引するとき、多孔質シートの外周縁部よりも内側、つまり塗布領域の外周よりも内側の範囲において、電解質膜を吸着している。

このため、電解質膜に塗布領域内の外周部分にシワが生じていたり、塗布領域よりも外側に越えた範囲にシワが生じていたりすると、触媒インクを塗布する機構と電解質膜との間の距離がシワの影響を受けて変わってしまう。その結果、電解質膜における電極反応部の形状にゆがみが生じ、塗布した触媒の寸法や厚みに寸法変動が生じる。電解質膜が変形を起こすことによって、この電解質膜を適用した燃料電池の電池性能を低下させてしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シート部材における塗布領域の形状にゆがみが生じることを防止し得る塗布装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の塗布装置は、可撓性を備える薄膜状のシート部材を載置する基板と、前記基板に対して前記シート部材を吸着させる吸引部と、前記吸引部によって前記基板に吸着させた前記シート部材に材料を塗布する塗布機構と、を有している。前記シート部材は、中央部分から外周縁部よりも内側までの範囲に、材料が塗布される塗布領域を備えている。そして、前記吸引部は、静電気によって前記シート部材を吸着させる機構を有し、前記材料を塗布する前記塗布領域において前記シート部材を前記基板に吸着させるととともに、前記塗布領域よりも外側に越えた範囲において前記シート部材を前記基板に吸着させている。前記塗布領域よりも外側に越えた範囲は、前記塗布領域よりも大きく、かつ、前記シート部材よりも小さい範囲である。

燃料電池のセル構造を示す断面図である。第１の実施形態に係る塗布装置を示す概略構成図である。図２の３−３線に沿う断面図である。図３に符号４Ａにて示される部分を拡大して示す図である。図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、塗布領域から外側に越えない範囲において電解質膜を吸着させた対比例において生じ得る不具合例の説明に使用する説明図である。第２の実施形態に係る塗布装置を示す概略構成図である。図６の７−７線に沿う断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

（第１の実施形態）
図１は、燃料電池のセル構造を示す断面図である。

図１を参照して、単セル１０は、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等に適用され、ＭＥＡ２０およびセパレーター３１、３２を有する。単セル１０をスタックして使用する場合は、例えば、冷却板３３をさらに有し、冷却板３３に設けられた溝部３３ａによって、単セル１０を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路が構成される。

ＭＥＡ２０は、高分子電解質膜２１、触媒層２２、２３、およびガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）２４、２５を有する。

触媒層２２は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、電解質膜２１の一方の側に配置される。触媒層２３は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、電解質膜２１の他方の側に配置される。

電解質膜２１は、触媒層２２で生成したプロトンを触媒層２３へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

ガス拡散層２４は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレーター３１と触媒層２２との間に位置している。ガス拡散層２５は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレーター３２と触媒層２３との間に位置している。

セパレーター３１、３２は、単セル１０を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、ＭＥＡ２０と略同一形状であり、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。

セパレーター３１は、ＭＥＡ２０のアノード側に配置されるアノードセパレーターであり、触媒層２２に相対し、ＭＥＡ２０とセパレーター３１との間に位置するガス流路を構成する溝部３１ａを有する。溝部（ガス流路）３１ａは、燃料ガスを触媒層２２に供給するために利用される。

セパレーター３２は、ＭＥＡ２０のカソード側に配置されるカソードセパレーターであり、触媒層２３に相対し、ＭＥＡ２０とセパレーター３２との間に位置するガス流路を構成する溝部３２ａを有する。溝部（ガス流路）３２ａは、酸化剤ガスを触媒層２３に供給するために利用される。

次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。

電解質膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

電解質膜２１の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層（カソード触媒層）２３に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）２２に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。

触媒層２２、２３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層２２、２３に用いられる高分子電解質は、電解質膜２１に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜２１に対する触媒層２２、２３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

触媒層の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）および酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、１〜１０μｍが好ましい。

ガス拡散層２４、２５は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０〜５００μｍが好ましい。ガス拡散層２４、２５は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

セパレーター３１、３２は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、溝部３１ａ、３２ａは、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。

次に、図２〜図４を参照して、塗布装置５０を説明する。図２は、本発明の実施形態に係る塗布装置５０を示す概略構成図、図３は、図２の３−３線に沿う断面図、図４は、図３に符号４Ａにて示される部分を拡大して示す図である。

塗布装置５０は、概説すると、可撓性を備える薄膜状のシート部材６０を載置する基板７０と、基板７０に対してシート部材６０を吸着させる吸引部８０と、吸引部８０によって基板７０に吸着させたシート部材６０に材料９１を塗布する塗布機構９０と、を有している。シート部材６０は、中央部分から外周縁部６１よりも内側までの範囲に、材料９１が塗布される塗布領域６２を備えている。そして、吸引部８０は、材料９１を塗布する塗布領域６２においてシート部材６０を基板７０に吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３においてシート部材６０を基板７０に吸着させている（図３および図４を参照）。シート部材６０は、材料９１を一方の面にのみ塗布する片面塗工用のシート部材、または材料９１を両方の面に塗布する両面塗工用のシート部材のいずれにも適用できる。つまり、シート部材６０は、吸引部８０によって基板７０に対して吸着させる側の面が、材料９１を塗布する前の面でもよいし、または材料９１をすでに塗布した後の面でもよい。

吸引部８０がシート部材６０を基板７０に吸着させる「塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において」には、具体的には、次の３つの範囲が含まれる。第１に、塗布領域６２よりも大きいがシート部材６０の面積よりも小さい範囲、第２に、シート部材６０と同じ大きさの範囲、第３に、シート部材６０よりも大きい範囲である。本実施形態では、第１番目の、塗布領域６２よりも大きいがシート部材６０の面積よりも小さい範囲においてシート部材６０を吸着させる形態を例に挙げて説明する。

図示する実施形態にあっては、シート部材６０は溶媒含浸材料からなる。溶媒含浸材料は、溶媒を吸って体積変化する材料と定義される。溶媒は、例えば、水や有機溶媒などであるが、これらに限定されない。

より具体的には、シート部材６０は、溶媒含浸材料からなり、電極触媒層２２、２３が形成される電解質膜２１である。また、シート部材６０に塗布される材料９１は、電極触媒層２２、２３用の触媒インクである。電解質膜２１は、触媒インクを塗布したときには、触媒インク中の溶媒を含浸して膨潤する。電解質膜２１の膨潤は、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲においても生じている。電解質膜２１は、両面塗工用のシート部材の一つである。

電解質膜２１は、長尺の形態で供給リール１０１に巻回している。図２〜図４には、一方の触媒層（例えば、アノード触媒層２２）がすでに形成された電解質膜２１に、他方の触媒層（例えば、カソード触媒層２３）を構成する触媒インク９１を塗布する形態を示している。電解質膜２１は、ロール・ツー・ロール方式によって搬送される。電解質膜２１は、供給リール１０１から繰り出され、巻き取りリール１０２に順次巻き取られる。塗布機構９０は、電解質膜２１を供給リール１０１から巻き取りリール１０２まで搬送する搬送経路の途中に配置されている。供給リール１０１と巻き取りリール１０２との間には、回転軸１０３を中心に回転自在なサクションローラー１０４を配置している。サクションローラー１０４は、周壁１０４ａの上に電解質膜２１を吸着しつつ搬送する。サクションローラー１０４の周壁１０４ａがシート部材６０を載置する基板７０に相当する。周壁１０４ａは、例えば、小孔１０５を多数形成したパンチングプレートなどの多孔質体から構成している。

吸引部８０は、気圧差によって電解質膜２１を吸着させる吸引機構８１を有している。この場合の吸引機構８１は、周壁１０４ａに形成した小孔１０５、吸引部８０と吸引室１０７をつなぐ流路１０８があるサクションローラー１０４、サクションローラー１０４内に形成した吸引室１０７の空気を吸引する真空ポンプ１０６などから構成する。吸引機構８１は、吸引室１０７の空気を吸引し、負圧となったサクションローラー１０４内部と、大気圧状態のサクションローラー１０４外部との間に気圧差を生じさせる。この気圧差によって、電解質膜２１を、周壁１０４ａの上に吸着する。

吸引部８０によって電解質膜２１をサクションローラー１０４の周壁１０４ａに吸着させながら、塗布された触媒インク９１を乾燥させることが好ましい。乾燥に伴う電解質膜２１の変形を抑えることができるからである。触媒インク９１を乾燥させる機構は特に限定されないが、昇温させた雰囲気ガスを電解質膜２１に吹き付ける等の公知の機構を適用することができる。

触媒インク９１の乾燥は、電解質膜２１を巻き取りリール１０２に巻き取るまでの搬送経路においても行うことができる。この場合、サクションローラー１０４から巻き取りリール１０２までの間においても、吸引部によって電解質膜２１を基板に吸着させながら、触媒インク９１を乾燥させることが好ましい。この搬送経路に配置する基板は、上述した周壁１０４ａと同様に、小孔を多数形成したパンチングプレートなどの多孔質体から構成することができる。また、この搬送経路に配置する吸引部は、上述した吸引部８０と同様に、気圧差によって電解質膜２１を吸着させる吸引機構を有する構成とすることができる。

サクションローラー１０４内の吸引室１０７は、例えば、複数個に区画され、個々の区画ごとに真空吸引および大気開放を切り替えることを可能にしている。吸引室１０７は、電解質膜２１が周壁１０４ａから離れるまで電解質膜２１を吸着し続ける。サクションローラー１０４に電解質膜２１を吸着した状態をできるだけ長く維持することによって、乾燥時における電解質膜２１の変形を抑えることができるからである。

なお、塗布された触媒インク９１の乾燥を促進させるために、周壁１０４ａの温度を昇温させるヒータをサクションローラー１０４の内部に配置したり、塗布した触媒インク９１の温度を昇温させるヒータをサクションローラー１０４に向かい合わせて配置したりしてもよい。搬送経路に配置する基板に関しても、基板の温度を昇温させるヒータを内部に配置したり、塗布した触媒インク９１の温度を昇温させるヒータを基板に向かい合わせて配置したりしてもよい。

塗布機構９０は、サクションローラー１０４に向かい合わせて配置したコーターヘッド９２を有している。コーターヘッド９２には、図示しない材料供給源から、触媒インク９１が供給される。

図３および図４を参照して、触媒インク９１を塗布する塗布領域６２、電解質膜２１をサクションローラー１０４に吸着させる範囲について説明する。説明の便宜上、サクションローラー１０４の回転軸１０３の方向を、電解質膜２１の幅方向、塗布領域６２の幅方向、サクションローラー１０４の幅方向、小孔１０５が存在する範囲の幅方向という。

電解質膜２１は、中央部分から外周縁部６１よりも内側までの範囲に、触媒インク９１が塗布される塗布領域６２を備えている。つまり、塗布領域６２の幅寸法は、電解質膜２１の幅寸法よりも小さい。コーターヘッド９２のインク吐出口は、塗布領域６２の幅寸法に合致した長さの幅寸法を有している。コーターヘッド９２の幅方向の中心と、サクションローラー１０４の幅方向の中心とを合わせている。電解質膜２１は、その幅方向の中心をサクションローラー１０４の幅方向の中心に合わせて、サクションローラー１０４によって吸着搬送される。

サクションローラー１０４表面において小孔１０５が存在する範囲の幅方向の中心を、サクションローラー１０４の幅方向の中心に合わせている。さらに、小孔１０５が存在する範囲の幅寸法は、塗布領域６２の幅寸法よりも大きい。したがって、吸引部８０は、塗布領域６２において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

電解質膜２１は、供給リール１０１から繰り出し、周壁１０４ａの上に気圧差によって吸着させつつ搬送し、巻き取りリール１０２に巻き取る。電解質膜２１を搬送しながら、コーターヘッド９２によって、電解質膜２１に触媒インク９１を塗布する。

小孔１０５が存在する範囲の幅寸法は、塗布領域６２の幅寸法よりも大きい。吸引部８０は、触媒インク９１を塗布した塗布領域６２において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させている。

電解質膜２１は薄膜であるので、触媒インク９１をいずれの面にも塗布していない状態においても、電解質膜２１自体は、塗布領域６２内の外周部分にシワが生じていたり、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３にシワが生じていたりする。また、溶媒含浸材料である電解質膜２１は、触媒インク９１中の溶媒を含んで膨潤する。塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３にまで溶媒が含浸するので、電解質膜２１の膨潤は、塗布領域６２よりも外側の部分においても生じる。塗布した触媒インク９１が乾燥するときには、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３も収縮する。この結果、触媒インク９１が片面に塗布された電解質膜２１は、塗布領域６２内の外周部分や塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３にシワが現れる。

ここで、図５に示される対比例のように、塗布領域２０２から外側に越えない範囲において電解質膜２０１をサクションローラー２０３の周壁２０３ａに吸着させる場合には、次のような問題が生じる。塗布した触媒インク２０４が乾燥するときに、塗布領域２０２よりも外側の部分２０５も収縮し、電解質膜２０１には塗布領域２０２よりも外側の部分２０５にシワが顕著に現れる。このシワの影響を受けて、コーターヘッド２０６と電解質膜２０１との間の距離が変わってしまう。その結果、電解質膜２０１における電極反応部の形状にゆがみが生じ、触媒層の幅寸法ｗ１、ｗ２や幅方向の端部における厚みｔ１、ｔ２に寸法変動が発生する。電解質膜２０１が変形を起こすことによって、燃料電池の電池性能を低下させてしまう。

一方、第１の実施形態にあっては、触媒インク９１を塗布するときには、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させている。このため、塗布領域６２よりも外側の部分にシワが生じることを抑制でき、コーターヘッド９２と電解質膜２１との距離も変わらない。触媒インク９１を電解質膜２１の第１の面に塗布するとき、あるいは触媒インク９１が第１の面にすでに塗布された電解質膜２１の第２の面に触媒インク９１をさらに塗布するときのいずれにおいても、シワが生じることを抑制できる。その結果、電解質膜２１における塗布領域６２の形状にゆがみが生じることを防止することができ、触媒層の幅寸法や幅方向の端部における厚みに寸法変動が生じない。よって、この電解質膜２１を適用した燃料電池によれば、電解質膜の変形に起因した電池性能の低下を防止することが可能となる。

電解質膜２１の塗布面とは反対側にバックアップフィルムを貼り合わせることなく、電解質膜２１の変形を抑制している。バックアップフィルムを貼り合わせたり剥がしたりする工程が不要であり、製造コストの増加を招かない。また、バックアップフィルムを剥がすときに生じ得る電解質膜の破壊という問題も根本的に生じない。

ところで、開口部を有するマスクフィルムによって電解質膜を挟み込んで電解質膜の変形を抑制し、その後に触媒インクを塗布することも考えられる。しかしながら、使用後に廃棄する副資材としてのマスクフィルムが必要であり、マスクフィルムに開口部を設ける工程、マスクフィルムを電解質膜に貼り合わせる工程、マスクフィルムを電解質膜から除去する工程などが必要となる。この結果、製造コストが比較的高くなってしまう。

これに対して、本実施形態にあっては、電解質膜２１の外周縁部６１を周壁１０４ａに対して固定したり固定解除したりする動作を、吸引部８０によってのみ行っている。したがって、マスクフィルムのような副資材が不要であり、マスクフィルムを貼り合わせたり、マスクフィルムを除去したりする工程が不要となることから、コストの増加を抑えることができる。

この場合、図４に符号６４の破線矢印で示すように、電解質膜２１の幅方向端部と、周壁１０４ａとの間の微小隙間から空気が吸引され、エア漏れが多少生じる場合がある。この部位におけるエア漏れの対策を施してもよい。例えば、電解質膜２１の幅方向端部の上に重なるカバーを、サクションローラー１０４の外周に取り付ける。カバーが吸引されて電解質膜２１の幅方向端部の上に重なることによって、エア漏れを低減することができる。カバーには、軸方向の切り込みが、周方向に所定の間隔で形成してある。切り込みを形成することによって、搬送される電解質膜２１は、周壁１０４ａから支障なく離れる。

上記とは逆に、電解質膜２１の外周縁部６１におけるエア漏れ対策をあえて施さないとすることもできる。この場合の利点はつぎのとおりである。真空吸着を停止すると、電解質膜２１の外周縁部６１においてエア漏れが生じるので、真空吸着状態からの解放（バキュームリリース）が容易であり、電解質膜２１を通してバキュームリリースされることがない。バキュームリリースに要する時間が短くなる結果、次の工程に迅速に移行することができ、量産性を高めることができる。バキュームリリース用のバルブを別途設けたりする必要がなく、設備費の増加を招くこともない。電解質膜２１の中央部分においてはサクションローラー１０４の小孔１０５を通してバキュームリリースされ、電解質膜２１の外周縁部６１においてもバキュームリリースされる。このように電解質膜２１の中央部分および外周縁部６１の両方においてバキュームリリースがほぼ同時に生じるので、電解質膜２１に応力集中が生じることがなく、マッドクラックと称される亀裂の発生を防止することができる。また、所定の大きさに切断した電解質膜２１を基板７０に吸着させる形態にあっては、外周縁部６１においてエア漏れが生じるので、次工程で電解質膜２１をピックアップし易くなるという利点もある。

以上説明したように、第１の実施形態の塗布装置５０は、シート部材６０としての電解質膜２１を載置する周壁１０４ａと、吸引部８０と、塗布機構９０と、を有し、吸引部８０は、触媒インク９１を塗布する塗布領域６２において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させている。このため、電解質膜２１に塗布領域６２内の外周部分にシワが生じたり、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３にシワが生じたりすることを抑制でき、塗布機構９０のコーターヘッド９２と電解質膜２１との距離がシワの影響を受けて変わることがない。その結果、電解質膜２１における塗布領域６２の形状にゆがみが生じることを防止することができ、触媒層２２、２３の幅寸法や幅方向の端部における厚みの寸法変動を抑えることが可能となる。

シート部材６０の材料としては例えば溶媒含浸材料である。周壁１０４ａが多孔質体から形成され、かつ、吸引部８０が気圧差によって電解質膜２１を吸着させる機構を有している。この場合、気圧差によって電解質膜２１を吸着することによって、塗布領域６２よりも外側の膨潤した部分にシワが生じることを抑制できる。

電解質膜２１は、吸引部８０によって周壁１０４ａに対して吸着させる側の面が、触媒インク９１を塗布する前の面、または触媒インク９１をすでに塗布した後の面である。このような構成によれば、触媒インク９１を電解質膜２１の第１の面に塗布するとき、あるいは触媒インク９１が第１の面にすでに塗布された電解質膜２１の第２の面に触媒インク９１をさらに塗布するときのいずれにおいても、シワが生じることを抑制できる。その結果、片面塗工または両面塗工のいずれの場合においても、塗布領域６２の形状にゆがみが生じることを防止し、触媒層２２、２３の寸法変動を抑えることが可能となる。

電解質膜２１は、供給リール１０１から繰り出され、巻き取りリール１０２に順次巻き取られる長尺の形態を有し、塗布機構９０は、電解質膜２１を供給リール１０１から巻き取りリール１０２まで搬送する搬送経路の途中に配置されている。このような構成によれば、電解質膜２１をロール・ツー・ロール方式によって搬送するので、電解質膜２１への触媒層２２、２３の形成を効率よく行うことができる。

吸引部８０によって電解質膜２１を周壁１０４ａに吸着させながら、塗布された触媒インク９１を乾燥させている。乾燥に伴う電解質膜２１の変形を抑えることができ、その結果、触媒層２２、２３の寸法変動を一層抑えることが可能となる。

シート部材６０は電極触媒層２２、２３が形成される電解質膜２１であり、材料９１は電極触媒層用の触媒インク９１である。触媒層２２、２３を形成した電解質膜２１の変形を抑えることができることから、この電解質膜２１を適用した燃料電池によれば、電解質膜の変形に起因した電池性能の低下を防止することが可能となる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る塗布装置５１を示す概略構成図、図７は、図６の７−７線に沿う断面図である。なお、第１の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

第２の実施形態は、静電気によって電解質膜２１を基板７０に吸着させている点で、気圧差によって電解質膜２１を基板７０に吸着させた第１の実施形態と相違している。

第２の実施形態の塗布装置５１は、第１の実施形態の塗布装置５０と同様に、電解質膜２１を載置する基板７０と、基板７０に対して電解質膜２１を吸着させる吸引部８０と、電解質膜２１に電極触媒層２２、２３用の触媒インク９１を塗布する塗布機構９０と、を有している。吸引部８０は、触媒インク９１を塗布する塗布領域６２において電解質膜２１を基板７０に吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を基板７０に吸着させている。

電解質膜２１は、供給リール１１１から繰り出され、巻き取りリール１１２に順次巻き取られる。供給リール１１１と巻き取りリール１１２との間には、回転軸１１３を中心に回転自在な静電吸着ローラー１１４を配置している。静電吸着ローラー１１４は、周壁１１４ａの上に電解質膜２１を吸着しつつ搬送する。静電吸着ローラー１１４の周壁１１４ａがシート部材６０を載置する基板７０に相当する。周壁１１４ａは、例えば、静電吸着力を発生する電極を組み込んだ吸着板１１５から構成している。

吸引部８０は、静電気によって電解質膜２１を吸着させる吸引機構８１を有している。この場合の吸引機構８１は、周壁１１４ａを構成する吸着板１１５、吸着板１１５に組み込まれた電極に電力を供給する電源１１６などから構成する。吸引機構８１は、吸着板１１５内の電極に電力を供給し、吸着板１１５に静電気を生じさせる。この静電気によって、電解質膜２１を、周壁１１４ａの上に吸着する。

静電気を利用する吸引部８０によって電解質膜２１を静電吸着ローラー１１４に吸着させながら、塗布された触媒インク９１を乾燥させている。乾燥に伴う電解質膜２１の変形を抑えることができるからである。触媒インク９１を乾燥させる機構は特に限定されないが、昇温させた雰囲気ガスを電解質膜２１に吹き付ける等の公知の機構を適用することができる。

触媒インク９１の乾燥は、第１の実施形態と同様に、電解質膜２１を巻き取りリール１１２に巻き取るまでの搬送経路においても行うことができる。この場合、静電吸着ローラー１１４から巻き取りリール１１２までの間においても、静電気を利用する吸引部によって電解質膜２１を基板に吸着させながら、触媒インク９１を乾燥させることが好ましい。

塗布された触媒インク９１を乾燥させるために、静電吸着ローラー１１４の吸着板１１５の温度を昇温させるヒータを静電吸着ローラー１１４の内部に配置したり、塗布した触媒インク９１の温度を昇温させるヒータを静電吸着ローラー１１４に向かい合わせて配置したりする。搬送経路に配置する基板に関しても、基板の温度を昇温させるヒータを内部に配置したり、塗布した触媒インク９１の温度を昇温させるヒータを基板に向かい合わせて配置したりしてもよい。

図７に示すように、静電吸着ローラー１１４の吸着板１１５の幅寸法は、塗布領域６２の幅寸法よりも大きい。したがって、第２の実施形態においても、吸引部８０は、塗布領域６２において電解質膜２１を吸着板１１５に吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を吸着板１１５に吸着させている。

第２の実施形態にあっても、触媒インク９１を塗布するときには、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を吸着板１１５に吸着させている。このため、塗布領域６２よりも外側の部分にシワが生じることを抑制でき、コーターヘッド９２と電解質膜２１との距離も変わらない。触媒インク９１を電解質膜２１の第１の面に塗布するとき、あるいは触媒インク９１が第１の面にすでに塗布された電解質膜２１の第２の面に触媒インク９１をさらに塗布するときのいずれにおいても、シワが生じることを抑制できる。その結果、電解質膜２１における塗布領域６２の形状にゆがみが生じることを防止することができ、触媒層の幅寸法や幅方向の端部における厚みに寸法変動が生じない。よって、この電解質膜２１を適用した燃料電池によれば、電解質膜２１の変形に起因した電池性能の低下を防止することが可能となる。

以上説明したように、第２の実施形態の塗布装置５１は、シート部材６０としての電解質膜２１を載置する周壁１１４ａと、吸引部８０と、塗布機構９０と、を有し、吸引部８０は、触媒インク９１を塗布する塗布領域６２において電解質膜２１を周壁１１４ａに吸着させるととともに、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３において電解質膜２１を周壁１１４ａに吸着させている。このため、電解質膜２１に塗布領域６２内の外周部分にシワが生じたり、塗布領域６２よりも外側に越えた範囲６３にシワが生じたりすることを抑制でき、塗布機構９０のコーターヘッド９２と電解質膜２１との距離がシワの影響を受けて変わることがない。その結果、電解質膜２１における塗布領域６２の形状にゆがみが生じることを防止することができ、触媒層２２、２３の幅寸法や幅方向の端部における厚みの寸法変動を抑えることが可能となる。

シート部材６０の材料としては例えば溶媒含浸材料からなる電解質膜２１である。吸引部８０が静電気によって電解質膜２１を吸着させる機構を有している。この場合、静電気によって電解質膜２１を吸着することによって、塗布領域６２よりも外側の膨潤した部分にシワが生じることを抑制できる。

（その他の改変例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変することができる。

例えば、シート部材６０として電極触媒層２２、２３が形成される電解質膜２１を例に挙げ、材料９１として電極触媒層用の触媒インク９１を例に挙げて説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。また、シート部材６０が溶媒含浸材料からなる電解質膜２１を例に挙げて説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。シート部材６０は、可撓性を備える薄膜状である限りにおいて種々適用でき、多孔質材料から形成されていてもよい。塗布される材料９１も、シート部材６０の種類に応じて種々適用できる。

吸引部８０が、触媒インク９１を塗布した塗布領域６２のほぼ全域を基板７０に吸着させる形態を説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。シート部材６０を基板７０に吸着させる範囲は、材料９１が塗布された塗布領域６２の一部でもよい。また、吸着するシート部材６０にシワを発生させない範囲で、吸着する力を部分的に異ならせてもよい。

基板７０を挟んだ両空間のうちシート部材６０を載置した側とは反対側の空間を負圧にした第１の実施形態を示したが、気圧差を利用する吸引部８０の構成はこの場合に限定されるものではない。基板７０を挟んだ両空間の間で差圧があれば、シート部材６０を基板７０に吸着させることができる。したがって、シート部材６０を載置した側の空間を大気圧を超える圧力に昇圧し、反対側の空間を大気圧に開放する形態でも、気圧差によってシート部材６０を基板７０に吸着させることができる。

コーターヘッド９２によって触媒インク９１を塗布する形態について説明したが、電解質膜２１への触媒インク９１の塗布方法ないし構造は、特に制限されない。例えば、スクリーン印刷法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。触媒インク９１の塗布方法に合わせて、電解質膜２１を載置する基板７０の形状や構造、あるいは吸引部８０における吸着方式を選択することができる。

本出願は、２０１２年９月２８日に出願された日本特許出願番号２０１２−２１７０７５号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１０単セル、
２０膜−電極接合体（ＭＥＡ）、
２１電解質膜、
２２、２３触媒層、
２４、２５ガス拡散層、
３１、３２セパレーター、
５０、５１塗布装置、
６０シート部材、
６１外周縁部、
６２塗布領域、
６３塗布領域よりも外側に越えた範囲、
７０基板、
８０吸引部、
８１吸引機構、
９０塗布機構、
９１触媒インク（材料）、
９２コーターヘッド、
１０１供給リール、
１０２巻き取りリール、
１０３回転軸、
１０４サクションローラー、
１０４ａサクションローラーの周壁（基板）、
１０５小孔、
１０６真空ポンプ、
１０７吸引室、
１０８流路、
１１１供給リール、
１１２巻き取りリール、
１１３回転軸、
１１４静電吸着ローラー、
１１４ａ静電吸着ローラーの周壁（基板）、
１１５吸着板、
１１６電源。

Claims

可撓性を備える薄膜状のシート部材を載置する基板と、
前記基板に対して前記シート部材を吸着させる吸引部と、
前記吸引部によって前記基板に吸着させた前記シート部材に材料を塗布する塗布機構と、を有し、
前記シート部材は、中央部分から外周縁部よりも内側までの範囲に、材料が塗布される塗布領域を備え、
前記吸引部は、静電気によって前記シート部材を吸着させる機構を有し、前記材料を塗布する前記塗布領域において前記シート部材を前記基板に吸着させるととともに、前記塗布領域よりも外側に越えた範囲において前記シート部材を前記基板に吸着させてなり、
前記塗布領域よりも外側に越えた範囲は、前記塗布領域よりも大きく、かつ、前記シート部材よりも小さい範囲である、塗布装置。
前記シート部材が多孔質材料、または溶媒含浸材料からなる、請求項１に記載の塗布装置。
前記シート部材は、前記吸引部によって前記基板に対して吸着させる側の面が、前記材料を塗布する前の面、または前記材料をすでに塗布した後の面である、請求項１または請求項２に記載の塗布装置。
前記シート部材は、供給リールから繰り出され、巻き取りリールに順次巻き取られる長尺の形態を有し、
前記塗布機構は、前記シート部材を前記供給リールから前記巻き取りリールまで搬送する搬送経路の途中に配置されている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の塗布装置。
前記吸引部によって前記シート部材を前記基板に吸着させながら、塗布された前記材料を乾燥させる、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の塗布装置。
前記シート部材は、電極触媒層が形成される電解質膜であり、
前記材料は、前記電極触媒層用の触媒インクである、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の塗布装置。