WO2018168105A1

WO2018168105A1 - 塗工装置および塗工方法

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Publication number: WO2018168105A1
Application number: PCT/JP2017/043226
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Inventors: 高木　善則; 雅文大森
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Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2018-09-20
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Abstract

膜・触媒層接合体の製造装置は、複数の被塗工領域（第１触媒層（９Ａ））が長手方向に沿って配列された電解質膜（９０）を、長手方向に搬送しつつ、ファイバーセンサ（４１）で光を照射して被塗工領域を検出する。ファイバーセンサ（４１）よりも、搬送方向の下流側で、ファイバーセンサ（４１）が検出する被塗工領域に対して、塗工液を塗工する。ファイバーセンサ（４１）は、搬送方向の下流側となる、被塗工領域の開始端を検出する。塗工部は、ファイバーセンサ（４１）が被塗工領域の開始端を検出するタイミングに応じて、塗工液の塗工を開始する。塗工部による塗工位置と、ファイバーセンサ（４１）の光照射位置との距離ｄ１は、搬送方向に連続する２つの被塗工領域の開始端の間ｄ２の距離よりも短い。

Description

塗工装置および塗工方法

　本発明は、基材に塗工液を塗工する塗工装置および塗工方法に関する。

　近年、自動車や携帯電話などの駆動電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料に含まれる水素と空気中の酸素との電気化学反応によって電力を作り出す発電システムである。燃料電池は、他の電池と比べて、発電効率が高く環境への負荷が小さいという特長を有する。

　燃料電池には、電解質としてイオン交換膜（電解質膜）を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer　Electrolyte　Fuel　Cell）がある。固体高分子形燃料電池は、常温での動作および小型軽量化が可能であるため、自動車または携帯機器への適用が期待されている。固体高分子形燃料電池は、一般的には複数のセルが積層された構造を有する。１つのセルは、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）の両側を一対のセパレータで挟み込むことにより構成される。膜・電極接合体は、電解質の薄膜（高分子電解質膜）の両面に触媒層を形成した膜・触媒層接合体（ＣＣＭ：Catalyst-coated　Membrane）の両側に、さらにガス拡散層を配置して構成される。高分子電解質膜を挟んで両側に配置された触媒層とガス拡散層とで、一対の電極層が構成される。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方がカソード電極である。アノード電極に水素を含む燃料ガスが接触するとともに、カソード電極に空気が接触すると、電気化学反応によって電力が作り出される。

　上記の膜・触媒層接合体は、電解質膜の表面に、白金（Ｐｔ）を含む触媒粒子をアルコールなどの溶媒中に分散させた触媒材料を塗工し、その触媒材料を乾燥させることによって作成される。固体高分子形燃料電池の触媒材料の塗工に際しては、高価な白金触媒のロスを無くすために、電解質膜の表面に触媒材料を間欠的に塗工する間欠塗工が行われる。この間欠塗工の際、塗工位置に対して精度よく触媒材料を塗工することが求められる。

　特許文献１には、間欠塗工する際に、触媒材料の塗工位置がずれないようにする間欠塗工位置ずれ防止装置が開示されている。例えば、バルブを開閉して触媒材料をノズルから吐出させて、塗工を行う場合、バルブ開閉用の信号が発信されてから実際に塗工が開始又は停止されるまでに、遅れ時間が発生することがある。被塗工体を移動させつつ、塗工する場合、この遅れ時間の間も、被塗工体が移動するため、塗工位置を検出しても、塗工がずれることがある。そこで、特許文献１では、被塗工体を移動させるローラに設けたパルスジェネレータから発せられる被塗工体の移動距離に比例したパルス信号をカウントする。そして、そのパルス数から、予め設定された、遅れ時間に相当するパルス数を減算して、バルブ開閉用の信号を発するタイミングを算出する。これにより、遅れ時間を考慮して、バルブの開閉を制御でき、触媒材料の塗工位置がずれないようにしている。

特開平５－１１１６５８号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の装置は、適切なタイミングを得るために被塗工体をある程度搬送させる必要があるため、被塗工体には、触媒材料が塗工されない領域ができ、その部分の被塗工体が無駄となるおそれがある。

　本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、基材を無駄にすることなく、被塗工領域に対して精度よく塗工液を塗工する塗工装置および塗工方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本願の第１発明は、塗工装置であって、長尺帯状であって、複数の塗膜を長手方向に形成すべき複数の被塗工領域を、前記長手方向に沿って有する基材を、前記長手方向に搬送する搬送部と、光を照射して被塗工領域を検出する検出部と、前記検出部よりも、搬送方向の下流側に配置され、前記検出部が検出する被塗工領域に対して、塗工液を塗工する塗工部と、を備え、前記検出部は、前記搬送方向の下流側となる、被塗工領域の開始端を検出し、前記塗工部は、前記検出部が前記被塗工領域の開始端を検出するタイミングに応じて、塗工液の塗工を開始し、前記塗工部による塗工位置と、前記検出部の光照射位置との距離は、前記搬送方向に連続する２つの被塗工領域の開始端の間の距離よりも、短い。

　本願の第２発明は、第１発明の塗工装置であって、前記搬送部は、外周面で前記基材を保持しつつ回転するローラを有し、前記検出部は、前記ローラの外周面で保持される前記基材に対して光を照射し、前記塗工部は、前記ローラの外周面で保持される前記基材に対して、塗工液を塗工する。

　本願の第３発明は、第１発明または第２発明の塗工装置であって、前記検出部は、光の照射角度が調整可能である。

　本願の第４発明は、第１発明から第３発明のいずれかの塗工装置であって、前記検出部は、前記基材の幅方向に沿った複数の位置で、被塗工領域を検出する。

　本願の第５発明は、第１発明から第４発明のいずれかの塗工装置であって、前記塗工部と、前記検出部との間に設けられた検出部用カバー、を備える。

　本願の第６発明は、第１発明から第５発明のいずれかの塗工装置であって、前記検出部は、前記被塗工領域で反射した反射光を受光することで、前記被塗工領域を検出し、前記塗工部は、前記検出部が前記反射光を受光し続ける時間と同じ時間、塗工液を塗工する。

　本願の第７発明は、第１発明から第６発明までのいずれかの塗工装置であって、前記検出部は、ファイバーセンサを含む。

　本願の第８発明は、塗工方法であって、ａ）長尺帯状であって、複数の塗膜を長手方向に形成すべき複数の被塗工領域を、前記長手方向に沿って有する基材を、前記長手方向に搬送する工程と、ｂ）光を照射して被塗工領域を検出部で検出する工程と、ｃ）前記検出部よりも、搬送方向の下流側において、前記検出部が検出する被塗工領域に対して、塗工部で塗工液を塗工する工程と、を備え、前記工程ｂ）では、前記搬送方向の下流側となる、被塗工領域の開始端を検出し、前記工程ｃ）では、前記工程ｂ）で前記被塗工領域の開始端が検出されるタイミングに応じて、塗工液の塗工を開始し、前記塗工部による塗工位置と、前記検出部の光照射位置との距離は、前記搬送方向に連続する２つの被塗工領域の開始端の間の距離よりも、短い。

　本願の第１発明～第８発明によれば、塗工位置と、光の照射位置とは近接する。このため、検出部が被塗工領域を検出する直後に塗工を開始することで、検出された被塗工領域に対して、塗工液を塗工できる。つまり、塗工位置を検出するためだけに、基材を搬送させる必要がない。その結果、被塗工領域に塗工液が塗工されないまま、基材が搬送されて、基材に無駄な領域が形成されることを防止できる。

　特に、第３発明によれば、被塗工領域の反射率に応じて、光の照射角度を調整することで、より精度よく被塗工領域を検出できる。

　特に、第４発明によれば、被塗工領域の検出精度が向上する。

　特に、第５発明によれば、検出部を、塗工液から保護できる。

　特に、第６発明によれば、塗工時間を、検出部による検出に合わせることで、塗工処理が容易となる。

　特に、第７発明によれば、スペースを十分に確保できない場合でも、設置が可能である。

本発明の実施形態に係る塗工装置の構成を示した図である。吸着ローラ付近の拡大図である。角度調節機構の平面図である。図３のＩＶ―ＩＶ線における断面図である。透明な第１電極層に対するファイバーセンサの最適な照射角度を説明するための図である。制御部と、製造装置内の各部との接続を示したブロック図である。ノズルと、ファイバーセンサとの配置関係を説明するための図である。第１電極層の検出タイミングと、触媒材料の塗布タイミングとを説明するためのタイムチャートである。塗工部による塗工時の流れを示すフローチャートである。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では、本発明の「塗工装置」を、固体高分子形燃料電池用の膜・触媒層接合体を製造する膜・触媒層接合体の製造装置として説明する。

　＜１．膜・触媒層接合体の製造装置の構成について＞
　図１は、本発明の実施形態に係る膜・触媒層接合体の製造装置１の構成を示した図である。この製造装置１は、固体高分子形燃料電池用の膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）の製造過程に用いられる装置である。製造装置１は、長尺帯状の基材である電解質膜の表面に触媒層を形成して、膜・触媒層接合体（ＣＣＭ：Catalyst-coated　Membrane）を製造する。

　膜・触媒層接合体の製造装置１は、吸着ローラ１０、電解質膜供給部２０、塗工部３０、触媒層検知部４０、乾燥炉５０、接合体回収部６０および制御部７０を備えている。

　吸着ローラ１０は、基材である電解質膜９０を吸着保持しつつ回転するローラである。吸着ローラ１０は、複数の吸着孔を有する円筒状の外周面を有する。吸着ローラ１０の直径は、例えば、２００ｍｍ～１６００ｍｍとされる。吸着ローラ１０には、モータ等の駆動源を有する回転駆動部が接続される。その回転駆動部を動作させると、吸着ローラ１０は、水平に延びる軸心周りに回転する。吸着ローラ１０は、本発明の「搬送部」の一例である。

　吸着ローラ１０の材料には、例えば、多孔質カーボンまたは多孔質セラミックス等の多孔質材料が用いられる。多孔質セラミックスの具体例としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体を挙げることができる。多孔質の吸着ローラ１０における気孔径は、例えば５μｍ以下とされ、気孔率は、例えば１５％～５０％とされる。

　なお、吸着ローラ１０の材料に、多孔質材料に代えて、金属を用いてもよい。金属の具体例としては、ＳＵＳ等のステンレスまたは鉄を挙げることができる。吸着ローラ１０の材料に金属を用いる場合には、吸着ローラ１０の外周面に、微小な吸着孔を、加工により形成すればよい。吸着孔の直径は、吸着痕の発生を防止するために、２ｍｍ以下とすることが好ましい。

　吸着ローラ１０の端面には、不図示の吸引口が設けられている。吸引口は、吸引機構（例えば、排気ポンプ）に接続される。吸引機構を動作させると、吸着ローラ１０の吸引口に負圧が生じる。そして、吸着ローラ１０内の気孔を介して、吸着ローラ１０の外周面に設けられた複数の吸着孔にも、負圧が発生する。電解質膜９０は、当該負圧によって、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって円弧状に搬送される。

　電解質膜供給部２０は、積層基材９２を、吸着ローラ１０へ供給する。積層基材９２は、電解質膜９０および第１支持フィルム９１の２層で構成される。電解質膜供給部２０は、その積層基材９２を吸着ローラ１０へ供給する際、電解質膜９０から第１支持フィルム９１を剥離する。そして、電解質膜９０を吸着ローラ１０へ供給するとともに、第１支持フィルム９１を回収する。

　電解質膜９０には、例えば、フッ素系または炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。電解質膜９０の具体例としては、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜（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）、ゴア(Gore)社製のGoreselect（登録商標））を挙げることができる。電解質膜９０の膜厚は、例えば、５μｍ～３０μｍとされる。電解質膜９０は、大気中の湿気によって膨潤する一方、湿度が低くなると収縮する。すなわち、電解質膜９０は、大気中の湿度に応じて変形しやすい性質を有する。

　第１支持フィルム９１は、電解質膜９０の変形を抑制するためのフィルムである。第１支持フィルム９１の材料には、電解質膜９０よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。第１支持フィルム９１の具体例としては、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを挙げることができる。第１支持フィルム９１の膜厚は、例えば２５μｍ～１００μｍとされる。

　電解質膜供給部２０は、積層基材供給ローラ２１、複数の積層基材搬入ローラ２２、剥離ローラ２３、複数の第１支持フィルム搬出ローラ２４および第１支持フィルム回収ローラ２５を有する。積層基材供給ローラ２１、複数の積層基材搬入ローラ２２、剥離ローラ２３、複数の第１支持フィルム搬出ローラ２４および第１支持フィルム回収ローラ２５は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。

　積層基材供給ローラ２１には、第１支持フィルム９１が内側となるように、積層基材９２が巻き付けられている。本実施形態では、電解質膜９０の、第１支持フィルム９１とは反対側の面（以下、「第１面」と称する）に、予め触媒層（以下、「第１触媒層９Ａ」と称する）が形成されている。第１触媒層９Ａは、製造装置１とは別の装置において、電解質膜９０の第１面に触媒材料が間欠塗工され、その触媒材料が乾燥されることによって形成される。

　積層基材供給ローラ２１は、図示を省略したモータの動力により回転する。積層基材供給ローラ２１が回転すると、積層基材９２は、積層基材供給ローラ２１から繰り出される。繰り出された積層基材９２は、複数の積層基材搬入ローラ２２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、剥離ローラ２３まで搬送される。

　図２は、吸着ローラ１０付近の拡大図である。

　剥離ローラ２３は、電解質膜９０から第１支持フィルム９１を剥離するためのローラである。剥離ローラ２３は、吸着ローラ１０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。剥離ローラ２３の少なくとも外周面は、弾性体により形成される。剥離ローラ２３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。

　複数の積層基材搬入ローラ２２により搬入される積層基材９２は、吸着ローラ１０と剥離ローラ２３との間へ導入される。なお、吸着ローラ１０の回転方向の上流側において、多孔質基材９９が吸着ローラ１０に供給される。そして、多孔質基材９９は、吸着ローラ１０の外周面に吸着保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。吸着ローラ１０と剥離ローラ２３との間へ導入された積層基材９２の電解質膜９０の第１面は、第１触媒層９Ａとともに、吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９９の表面に接触する。また、積層基材９２の第１支持フィルム９１は、剥離ローラ２３の外周面に接触する。なお、図２では、理解容易のため、吸着ローラ１０および多孔質基材９９が、間隔を空けて図示されているとともに、多孔質基材９９および電解質膜９０も、間隔を空けて図示されている。なお、図１においては多孔質基材９９に関する図示を省略している。

　この状態で、積層基材９２は、剥離ローラ２３から受ける圧力で、吸着ローラ１０側へ押し付けられる。吸着ローラ１０に保持された多孔質基材９９の表面には、吸着ローラ１０からの吸引力によって、負圧が生じる。電解質膜９０は、当該負圧によって、多孔質基材９９の表面に吸着される。そして、電解質膜９０は、多孔質基材９９とともに吸着ローラ１０に保持されつつ、吸着ローラ１０の回転によって、円弧状に搬送される。一方、第１支持フィルム９１は、電解質膜９０から剥離される。その結果、吸着ローラ１０に保持される、電解質膜９０の第１面とは反対側の面（以下、「第２面」と称する）は露出する。

　このように、本実施形態では、吸着ローラ１０の外周面と電解質膜９０との間に、多孔質基材９９を介在させる。このため、吸着ローラ１０の外周面と、電解質膜９０の第１面に形成された第１触媒層９Ａとは、直接接触しない。したがって、第１触媒層９Ａの一部が吸着ローラ１０の外周面に付着したり、吸着ローラ１０の外周面から電解質膜９０へ異物が転載されたりすることを、防止できる。

　なお、多孔質基材９９は、後述の接合体回収部６０よりも、吸着ローラ１０の回転方向の下流側で、吸着ローラ１０から離れて、回収される。

　電解質膜９０から剥離した第１支持フィルム９１は、複数の第１支持フィルム搬出ローラ２４側へ搬送される。第１支持フィルム９１は、複数の第１支持フィルム搬出ローラ２４により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、第１支持フィルム回収ローラ２５まで搬送される。第１支持フィルム回収ローラ２５は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、第１支持フィルム９１が、第１支持フィルム回収ローラ２５に巻き取られる。

　塗工部３０は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９０の第２面に、塗工液である触媒材料を塗工する機構である。触媒材料には、例えば、白金（Ｐｔ）を含む触媒粒子をアルコールなどの溶媒中に分散させた触媒材料が用いられる。塗工部３０は、ノズル３１、開閉弁３２および触媒材料供給源３３を有する。

　ノズル３１は、吸着ローラ１０による電解質膜９０の搬送方向において、剥離ローラ２３よりも下流側に設けられている。ノズル３１は、吸着ローラ１０の外周面に対向する吐出口３１１を有する。吐出口３１１は、吸着ローラ１０の外周面に沿って、吸着ローラ１０の幅方向に延びるスリット状の開口である。ノズル３１は、吐出口３１１の先端に触媒材料の液溜まりを形成する。そして、吸着ローラ１０の外周面で搬送される電解質膜９０の第２面の被塗工領域に、液溜まりを接触させる。これにより、電解質膜９０の第２面の被塗工領域に、触媒材料が塗工され、触媒材料のウェット膜９Ｂが形成される。このウェット膜９Ｂは、後述の乾燥炉５０により乾燥されることで、触媒層（以下、「第２触媒層９Ｃ」と称す）となる。

　なお、被塗工領域は、ノズル３１よりも、搬送方向の上流側に配置される触媒層検知部４０によって検出される。この被塗工領域は、電解質膜９０の第１面に形成された第１触媒層９Ａと重なる領域である。つまり、第１触媒層９Ａと、第２触媒層９Ｃとは、重なり合う位置に形成される。換言すれば、触媒層検知部４０は、複数の塗膜である複数のウェット膜９Ｂを長手方向に形成すべき複数の被塗膜領域を検出する。

　開閉弁３２は、ノズル３１による触媒材料の吐出動作を、実行させ、または停止させる。開閉弁３２は、ノズル３１と、触媒材料供給源３３とをつなぐ給液配管の途中に設けられる。開閉弁３２を開放すると、触媒材料供給源３３から、ノズル３１に触媒材料が供給される。そうすると、吐出口３１１の先端に、触媒材料の液溜まりが形成される。これにより、ノズル３１による吐出動作が実行可能となる。一方で、開閉弁３２を閉鎖すると、ノズル３１への触媒材料の供給が停止する。これにより、吐出口３１１先端での液溜まりの形成が停止され、ノズル３１による触媒材料の吐出動作が停止される。

　なお、触媒材料中の触媒粒子には、高分子形燃料電池のアノードまたはカソードにおいて燃料電池反応を起こす材料が用いられる。具体的には、白金（Ｐｔ）、白金合金、白金化合物等の粒子を、触媒粒子として用いることができる。白金合金の例としては、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）等からなる群から選択される少なくとも１種の金属と白金との合金を挙げることができる。一般的には、カソード用の触媒材料には白金が用いられ、アノード用の触媒材料には白金合金が用いられる。ノズル３１から吐出される触媒材料は、カソード用であってもアノード用であってもよい。ただし、電解質膜９０の第１面に形成される第１触媒層９Ａと、電解質膜９０の第２面に形成される第２触媒層９Ｃには、互いに逆極性の触媒材料が用いられる。

　触媒層検知部４０は、吸着ローラ１０の外周面に対向する位置であって、塗工部３０よりも、吸着ローラ１０の回転方向の上流側に配置されている。触媒層検知部４０は、電解質膜９０の第２面において、塗工部３０が触媒材料を塗工すべき被塗工領域を検出する。前記のように、被塗工領域は、第１触媒層９Ａと重なる領域である。触媒層検知部４０は、吸着ローラ１０により搬送される電解質膜９０の第２面側から、電解質膜９０の第１面に形成された第１触媒層９Ａを検出することで、被塗工領域を検出する。

　触媒層検知部４０はファイバーセンサ４１を有する。ファイバーセンサ４１は、図示を省略した光ファイバーを介して、光学計測装置に接続されている。光学計測装置は、光源および受光部を有する。光学計測装置の光源から発せられた光は、光ファイバーを介してファイバーセンサ４１に伝送される。ファイバーセンサ４１は、光ファイバー内を伝送された光を、電解質膜９０の第２面に向けて照射する。ファイバーセンサ４１は、その反射光を受光し、受光した光を、光ファイバーを経由して光学計測装置の受光部へ入射する。そして、光学計測装置において、入射された光に基づいて、対象物の存在が検出される。

　本実施形態では、電解質膜９０は透明である。第１触媒層９Ａは、黒色など、吸光係数の高い色であるとする。この場合、ファイバーセンサ４１から照射された光は、電解質膜９０を透過する。そして、光の照射先に第１触媒層９Ａが存在すると、電解質膜９０を透過した光の多くは第１触媒層９Ａで吸収される。一方、光の照射先に第１触媒層９Ａが存在しないと、電解質膜９０を透過した光は、吸収されることなく、他の部位（例えば、吸着ローラ１０の外周面）で反射する。つまり、光の照射先に第１触媒層９Ａが存在するか否かで、ファイバーセンサ４１が受光する反射光の光量が変わる。触媒層検知部４０は、この光量の違いから、第１触媒層９Ａの存在を検出する。

　このように、触媒層検知部４０は、電解質膜９０の第１面に形成された第１触媒層９Ａを、電解質膜９０の第２面側から検出できる。光の照射にファイバーセンサ４１を用いることで、スペースを十分に確保できない場合でも、触媒層検知部４０の設置が可能である。

　ファイバーセンサ４１は、塗工部３０のノズル３１に対して近接配置されている。このため、触媒層検知部４０が被塗工領域を検出する直後に塗工を開始することで、検出された被塗工領域に対して、触媒材料を塗工できる。つまり、塗工位置を検出するためだけに、電解質膜９０を搬送させる必要がない。その結果、電解質膜９０に、ウェット膜９Ｂが形成されない領域が生じることを防止できる。触媒層検知部４０による被塗工領域の検出タイミングと、塗工部３０による塗工開始タイミングとの関係については、後述する。

　なお、ファイバーセンサ４１と、ノズル３１との間には、センサカバー（検出部用カバー）４１Ａが設けられている。ファイバーセンサ４１は、ノズル３１に近接配置されている。このセンサカバー４１Ａは、ノズル３１からの触媒材料が、ファイバーセンサ４１に付着することを防止する。

　触媒層検知部４０は、ファイバーセンサ４１の照射角度を調節する角度調節機構４２を有する。図３は、角度調節機構４２の平面図である。図４は、図３のＩＶ―ＩＶ線における断面図である。

　図３に示すように、本実施形態では、触媒層検知部４０は、２つのファイバーセンサ４１を有する。２つのファイバーセンサ４１は、吸着ローラ１０の幅方向に沿って、距離を開けて配置されている。つまり、触媒層検知部４０は、吸着ローラ１０の幅方向における２点で、被塗工領域を検出する。これにより、ファイバーセンサ４１が１つの場合よりも、触媒層検知部４０による被塗工領域の検出精度は向上する。

　角度調節機構４２は、一対の固定ブラケット４２１を有する。一対の固定ブラケット４２１は、吸着ローラ１０の外周面の外側に、吸着ローラ１０の幅方向の長さよりも広い間隔で、対向配置されている。一対の固定ブラケット４２１の間には、センサカバー４１Ａと、回転軸４２２とが設けられている。

　回転軸４２２は、円柱形状であって、吸着ローラ１０の幅方向に延びる。回転軸４２２は、一対の固定ブラケット４２１により回転自在に支持されている。回転軸４２２における、吸着ローラ１０の外周面に対向する位置には、２つのファイバーセンサ４１を固定する固定部材４２３が設けられている。固定部材４２３は、回転軸４２２とともに回転する。

　一対の固定ブラケット４２１に対して回転自在な回転軸４２２は、割りカラー４２４により締結されることで、固定ブラケット４２１に固定される。割りカラー４２４と、固定ブラケット４２１とは、ボルト４２１Ａで固定される。

　割りカラー４２４は、軸方向に円柱形状の空洞を有する円筒状である。割りカラー４２４は、円周部分の一部に切り欠き４２４Ａを有しており、軸方向からの平面視で、Ｃ字形状となっている。割りカラー４２４の空洞の径は、回転軸４２２の径よりも小さい。そして、割りカラー４２４は、切り欠き４２４Ａが広げられた状態で、回転軸４２２が挿入可能となっている。空洞に回転軸４２２を挿入した状態で、ボルト４２４Ｂで切り欠き４２４Ａを狭めるように締結することで、回転軸４２２は割りカラー４２４に固定される。

　このように構成された角度調節機構４２において、ボルト４２１Ａおよびボルト４２４Ｂを緩めることで（または取り外すことで）、回転軸４２２は、一対の固定ブラケット４２１に対して回転する。回転軸４２２が回転すると、固定部材４２３に固定された２つのファイバーセンサ４１も回転する。これにより、２つのファイバーセンサ４１の照射角度を調整できる。調整後、ボルト４２１Ａおよびボルト４２４Ｂを締めて、固定ブラケット４２１に固定することで、２つのファイバーセンサ４１は、所望の照射角度を維持した状態となる。

　この角度調節機構４２により、第１触媒層９Ａに応じて、ファイバーセンサ４１の照射角度を調整することで、より確実に被塗工領域を検出できる。例えば、前記のように、第１触媒層９Ａが黒色などである場合には、光の照射先に第１触媒層９Ａが存在する場合と、存在しない場合とで、反射光の光量の変化が大きく、第１触媒層９Ａを検出できる。

　これに対し、第１触媒層９Ａが、電解質膜９０と同じ透明である場合、反射光の光量の変化が小さく、第１触媒層９Ａを検出することが難しい。例えば、第１触媒層９Ａに対するファイバーセンサ４１の照射角度を垂直とした場合、反射光の散乱量は少ない。その結果、照射位置によらず、ファイバーセンサ４１が受光する反射光の光量は多く、全体的に反射光量の変化は小さい。

　そこで、図５のパターン（Ａ）で示すように、照射光が第１触媒層９Ａの端部を交差するように、ファイバーセンサ４１の照射角度を調整する。図５は、透明な第１触媒層９Ａに対するファイバーセンサ４１の最適な照射角度を説明するための図である。図５において、実線矢印は、照射光を示し、破線矢印は、反射光を示す。図５のパターン（Ａ）と、パターン（Ｂ）と、パターン（Ｃ）とでは、反射状態が異なる。この場合、反射光の散乱量の違いから、パターン（Ｂ）、パターン（Ａ）、パターン（Ｃ）の順に、ファイバーセンサ４１が受光する反射光の光量は多くなる。この反射光の光量の違いから、触媒層検知部４０は被塗工領域を検出できる。このように、ファイバーセンサ４１の照射角度を調整することで、被塗工領域の検知精度を向上させることができる。

　図１に戻る。乾燥炉５０は、電解質膜９０の第２面に形成されたウェット膜９Ｂを乾燥させる部位である。乾燥炉５０は、吸着ローラ１０による電解質膜９０の搬送方向において、塗工部３０よりも下流側に配置されている。また、乾燥炉５０は、吸着ローラ１０の外周面に沿って、円弧状に設けられている。乾燥炉５０は、吸着ローラ１０の周囲において、電解質膜９０の第２面に、加熱された気体（熱風）を吹き付ける。そうすると、電解質膜９０の第２面に形成されたウェット膜９Ｂが加熱され、触媒材料中の溶剤が気化する。これにより、ウェット膜９Ｂが乾燥して、電解質膜９０の第２面に第２触媒層９Ｃが形成される。その結果、電解質膜９０、第１触媒層９Ａおよび第２触媒層９Ｃで構成される膜・触媒層接合体９５が得られる。

　接合体回収部６０は、膜・触媒層接合体９５に第２支持フィルム９３を貼り付けて、膜・触媒層接合体９５を回収する部位である。接合体回収部６０は、第２支持フィルム供給ローラ６１、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、複数の接合体搬出ローラ６４および接合体回収ローラ６５を有する。第２支持フィルム供給ローラ６１、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２、ラミネートローラ６３、複数の接合体搬出ローラ６４および接合体回収ローラ６５は、いずれも、吸着ローラ１０と平行に配置される。

　第２支持フィルム供給ローラ６１には、第２支持フィルム９３が巻き付けられている。第２支持フィルム供給ローラ６１は、図示を省略したモータの動力により回転する。第２支持フィルム供給ローラ６１が回転すると、第２支持フィルム９３は、第２支持フィルム供給ローラ６１から繰り出される。繰り出された第２支持フィルム９３は、複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２により案内されつつ、所定の搬入経路に沿って、ラミネートローラ６３まで搬送される。

　第２支持フィルム９３の材料には、電解質膜９０よりも機械的強度が高く、形状保持機能に優れた樹脂が用いられる。第２支持フィルム９３の具体例としては、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを挙げることができる。第２支持フィルム９３の膜厚は、例えば２５μｍ～１００μｍとされる。第２支持フィルム９３は、第１支持フィルム９１と同じものであってもよい。また、第１支持フィルム回収ローラ２５に巻き取られた第１支持フィルム９１を、第２支持フィルム９３として第２支持フィルム供給ローラ６１から繰り出すようにしてもよい。

　ラミネートローラ６３は、膜・触媒層接合体９５に第２支持フィルム９３を貼り付けるためのローラである。ラミネートローラ６３の材料には、例えば、耐熱性の高いゴムが用いられる。ラミネートローラ６３は、吸着ローラ１０よりも径の小さい円筒状の外周面を有する。ラミネートローラ６３は、吸着ローラ１０の回転方向において、乾燥炉５０よりも下流側において、吸着ローラ１０に隣接配置されている。また、ラミネートローラ６３は、図示を省略したエアシリンダによって、吸着ローラ１０側へ加圧されている。

　複数の第２支持フィルム搬入ローラ６２により搬入される第２支持フィルム９３は、吸着ローラ１０の周囲において搬送される膜・触媒層接合体９５とラミネートローラ６３との間へ導入される。このとき、第２支持フィルム９３は、ラミネートローラ６３からの圧力により、膜・触媒層接合体９５に押し付けられるとともに、ラミネートローラ６３の熱により加熱される。その結果、電解質膜９０の第２面に、第２支持フィルム９３が貼り付けられる。電解質膜９０の第２面に形成された第２触媒層９Ｃは、電解質膜９０と第２支持フィルム９３との間に挟まれる。

　吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間を通過した第２支持フィルム９３付きの膜・触媒層接合体９５は、吸着ローラ１０から離れる方向へ搬送される。これにより、多孔質基材９９から膜・触媒層接合体９５が剥離される。

　また、本実施形態では、ラミネートローラ６３の近傍に、押圧ローラ６３２が配置されている。押圧ローラ６３２は、吸着ローラ１０とラミネートローラ６３との間の隙間よりも、膜・触媒層接合体９５の搬送方向下流側において、ラミネートローラ６３に隣接配置されている。また、押圧ローラ６３２は、図示を省略したエアシリンダによって、ラミネートローラ６３側へ加圧されている。多孔質基材９９から離れた第２支持フィルム９３付きの膜・触媒層接合体９５は、続いて、ラミネートローラ６３と押圧ローラ６３２との間を通過する。これにより、電解質膜９０の第２面に対する第２支持フィルム９３の密着性が向上する。

　その後、第２支持フィルム９３付きの膜・触媒層接合体９５は、複数の接合体搬出ローラ６４により案内されつつ、所定の搬出経路に沿って、接合体回収ローラ６５まで搬送される。接合体回収ローラ６５は、図示を省略したモータの動力により回転する。これにより、第２支持フィルム９３付きの膜・触媒層接合体９５が、第２支持フィルム９３が外側となるように、接合体回収ローラ６５に巻き取られる。

　制御部７０は、製造装置１内の各部を動作制御するための手段である。図６は、制御部７０と、製造装置１内の各部との接続を示したブロック図である。図６中に概念的に示したように、制御部７０は、ＣＰＵ等の演算処理部７１、ＲＡＭ等のメモリ７２およびハードディスクドライブ等の記憶部７３を有するコンピュータにより構成される。記憶部７３内には、膜・触媒層接合体の製造処理を実行するためのコンピュータプログラムＰが、インストールされている。

　また、図６に示すように、制御部７０は、上述した吸着ローラ１０の回転駆動部、吸着ローラ１０の吸引機構、積層基材供給ローラ２１のモータ、剥離ローラ２３のエアシリンダ、第１支持フィルム回収ローラ２５のモータ、塗工部３０の開閉弁３２、触媒層検知部４０の光学計測装置の光源および受光部、乾燥炉５０、第２支持フィルム供給ローラ６１のモータ、ラミネートローラ６３のエアシリンダ、ラミネートローラ６３のヒータ６３１、押圧ローラ６３２のエアシリンダ、ならびに、接合体回収ローラ６５のモータと、それぞれ通信可能に接続されている。

　制御部７０は、記憶部７３に記憶されたコンピュータプログラムＰおよびデータをメモリ７２に一時的に読み出し、当該コンピュータプログラムＰに基づいて、演算処理部７１が演算処理を行うことにより、上記の各部を動作制御する。これにより、製造装置１における膜・触媒層接合体の製造処理が進行する。

　＜２．被塗工領域の検出および塗工について＞
　＜２．１．ノズル３１とファイバーセンサ４１との配置について＞
　図７は、ノズル３１と、ファイバーセンサ４１との配置関係を説明するための図である。図７は、吸着ローラ１０に保持される電解質膜９０を、第２面側から視た図である。以下の説明では、搬送方向の下流側となる、第１触媒層９Ａの一端を「開始端」と称する。また、搬送方向の上流側となる、第１触媒層９Ａの他端を「終端」と称する。

　ノズル３１による触媒材料の塗工位置と、ファイバーセンサ４１による光の照射位置との間の距離を、ｄ１で表す。また、搬送方向の下流側となる、一の第１触媒層９Ａの開始端と、一の第１触媒層９Ａに搬送方向に隣接する第１触媒層９Ａの開始端との間の距離を、ｄ２で表す。この場合において、ノズル３１と、ファイバーセンサ４１とは、ｄ１＜ｄ２の関係を満して配置される。

　＜２．２．触媒材料の塗工タイミングについて＞
　図８は、第１触媒層９Ａの検出タイミングと、触媒材料の塗工タイミングとを説明するためのタイムチャートである。

　図８に示すタイミングＡ１は、触媒層検知部４０が、第１触媒層９Ａの開始端を検出するタイミングである。図８に示すタイミングＡ２は、触媒層検知部４０が、第１触媒層９Ａの終端を検出するタイミングである。そして、タイミングＡ１からタイミングＡ２までの時間を、Ｔ１で表す。

　図８に示すタイミングＢは、塗工部３０が触媒材料の塗工を開始するタイミングである。塗工部３０は、タイミングＡ１から、時間Ｔ２（＜Ｔ１）経過後に、触媒材料の塗工を開始する。時間Ｔ２は、図７に示す距離ｄ１と、吸着ローラ１０の回転速度とから算出される。つまり、時間Ｔ２は、搬送される電解質膜９０に形成される第１触媒層９Ａの開始端が、光の照射位置を通過してから、塗工位置に到達するまでの時間である。

　そして、塗工部３０は、時間Ｔ１の間、塗工し続ける。時間Ｔ１は、前記の通り、触媒層検知部４０が、第１触媒層９Ａの開始端を検出してから、終端を検出するまでの時間である。換言すれば、時間Ｔ１は、被塗工領域の搬送方向の移動時間である。この時間Ｔ１の間、塗工し続けることで、一の被塗工領域の開始端から終端まで全体にわたって、触媒材料が塗工される。このように、触媒層検知部４０による塗装工領域の検出時間（時間Ｔ１）と同じ時間、塗工することで、塗工部３０による塗工処理が容易となる。

　なお、塗工部３０は、タイミングＡ１から、吸着ローラ１０の駆動パルスから換算した、吸着ローラ１０の移動距離が距離ｄ１となったときに、塗工を開始してもよい。

　このように、ノズル３１と、ファイバーセンサ４１とを近接配置し、被塗工領域の検出直後に塗工を開始することで、検出された被塗工領域に対して、触媒材料を塗工できる。つまり、塗工位置を検出するためだけに、電解質膜９０を搬送させる必要がない。その結果、ウェット膜９Ｂが形成されない状態で電解質膜９０が搬送されて、電解質膜９０に無駄な領域が形成されることを防止できる。

　＜３．塗工部３０による塗工時の動作について＞
　図９は、塗工部３０による塗工時の流れを示すフローチャートである。

　吸着ローラ１０で電解質膜９０を支持しつつ回転して、電解質膜９０を、予め定められた搬送速度により、搬送方向に向かって搬送する（ステップＳ１）。次に、電解質膜９０の搬送を継続しつつ、触媒層検知部４０のファイバーセンサ４１から光を照射する（ステップＳ２）。触媒層検知部４０は、反射光を受光することで、第１触媒層９Ａを検出する（ステップＳ３）。具体的には、触媒層検知部４０は、第１触媒層９Ａの開始端を検出する。

　第１触媒層９Ａの開始端を検出すると、塗工部３０は、開閉弁３２を開放して（ステップＳ４）、触媒材料の塗工を開始して、ウェット膜９Ｂを形成する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、塗工部３０は、ステップＳ３で、触媒層検知部４０が、第１触媒層９Ａの開始端を検出してから、時間Ｔ２経過後に、触媒材料の塗工を開始する。そして、時間Ｔ１の間、触媒材料を塗工し続ける。これにより、電解質膜９０の第２面において、第１触媒層９Ａと重なる被塗工領域に、電子材料を塗工して、ウェット膜９Ｂを形成できる。

　塗工処理を終了する場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、本処理は終了する。塗工処理を終了しない場合（ステップＳ６でＮＯ）、ステップＳ２の処理を実行する。なお、塗工処理を終了する場合とは、例えば、製造装置１による製造を停止する場合、電解質膜９０の搬送を停止する場合などである。

　以上、本発明の主たる実施形態について説明したが、製造装置１の細部の構成については、本願の各図と相違していてもよい。

　例えば、上記の実施形態の膜・触媒層接合体の製造装置１は、電解質膜９０に第１触媒層９Ａが形成された第１面と反対側の第２面に対して、触媒材料を塗工する構成であるが、これに限定されない。例えば、膜・触媒層接合体の製造装置は、第１触媒層９Ａに触媒材料を重ね塗りする構成であってもよい。詳しくは、第１触媒層９Ａは、電解質膜９０の第２面に形成される。触媒層検知部４０は、電解質膜９０の第２面に形成された第１触媒層９Ａを、被塗工領域として検知する。そして、塗工部３０は、その第２面の被塗工領域に対して、触媒材料を塗工する。

　また、電解質膜９０に枠体が形成されていて、膜・触媒層接合体の製造装置は、その枠体内に、触媒材料を塗工する構成であってもよい。この場合、触媒層検知部４０は、電解質膜９０の枠体の内側を、被塗工領域として検知する。そして、塗工部３０は、その枠体の内側に対して、触媒材料を塗工する。

１　　　膜・触媒層接合体の製造装置
９Ａ　　第１触媒層
９Ｂ　　ウェット膜
９Ｃ　　第２触媒層
１０　　吸着ローラ
３０　　塗工部
３１　　ノズル
４０　　触媒層検知部
４１　　ファイバーセンサ
４１Ａ　センサカバー（検出部用カバー）
４２　　角度調節機構
５０　　乾燥炉
７０　　制御部
７１　　演算処理部
７２　　メモリ
７３　　記憶部
９０　　電解質膜
９１　　第１支持フィルム
９２　　積層基材
９３　　第２支持フィルム
９５　　膜・触媒層接合体
３１１　吐出口
４２１　固定ブラケット
４２２　回転軸
４２３　固定部材
４２４　割りカラー

Claims

　長尺帯状であって、複数の塗膜を長手方向に形成すべき複数の被塗工領域を、前記長手方向に沿って有する基材を、前記長手方向に搬送する搬送部と、
　光を照射して被塗工領域を検出する検出部と、
　前記検出部よりも、搬送方向の下流側に配置され、前記検出部が検出する被塗工領域に対して、塗工液を塗工する塗工部と、
　を備え、
　前記検出部は、
　　前記搬送方向の下流側となる、被塗工領域の開始端を検出し、
　前記塗工部は、
　　前記検出部が前記被塗工領域の開始端を検出するタイミングに応じて、塗工液の塗工を開始し、
　前記塗工部による塗工位置と、前記検出部の光照射位置との距離は、前記搬送方向に連続する２つの被塗工領域の開始端の間の距離よりも、短い、
　塗工装置。
　請求項１に記載の塗工装置において、
　前記搬送部は、外周面で前記基材を保持しつつ回転するローラを有し、
　前記検出部は、
　　前記ローラの外周面で保持される前記基材に対して光を照射し、
　前記塗工部は、
　　前記ローラの外周面で保持される前記基材に対して、塗工液を塗工する、
　塗工装置。
　請求項１または請求項２に記載の塗工装置において、
　前記検出部は、光の照射角度が調整可能である、
　塗工装置。
　請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の塗工装置において、
　前記検出部は、前記基材の幅方向に沿った複数の位置で、被塗工領域を検出する、
　塗工装置。
　請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の塗工装置において、
　前記塗工部と、前記検出部との間に設けられた検出部用カバー、
　を備える塗工装置。
　請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の塗工装置において、
　前記検出部は、
　　前記被塗工領域で反射した反射光を受光することで、前記被塗工領域を検出し、
　前記塗工部は、
　　前記検出部が前記反射光を受光し続ける時間と同じ時間、塗工液を塗工する、
　塗工装置。
　請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の塗工装置において、
　前記検出部は、ファイバーセンサを含む、
　塗工装置。
　ａ）長尺帯状であって、複数の塗膜を長手方向に形成すべき複数の被塗工領域を、前記長手方向に沿って有する基材を、前記長手方向に搬送する工程と、
　ｂ）光を照射して被塗工領域を検出部で検出する工程と、
　ｃ）前記検出部よりも、搬送方向の下流側において、前記検出部が検出する被塗工領域に対して、塗工部で塗工液を塗工する工程と、
　を備え、
　前記工程ｂ）では、
　　前記搬送方向の下流側となる、被塗工領域の開始端を検出し、
　前記工程ｃ）では、
　　前記工程ｂ）で前記被塗工領域の開始端が検出されるタイミングに応じて、塗工液の塗工を開始し、
　前記塗工部による塗工位置と、前記検出部の光照射位置との距離は、前記搬送方向に連続する２つの被塗工領域の開始端の間の距離よりも、短い、
　塗工方法。