JP2008300160A - 塗膜の製造方法、燃料電池の製造方法および塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 塗膜の厚みの均一性を高め得る塗膜の製造方法、触媒層の厚みの均一性を高め得る燃料電池の製造方法、および前記方法に使用されるペースト状の組成物を基材に塗布するための塗布装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも一方がペースト保持溝を有する塗布ロールである一対のロールと、塗布ロールに押し当てられたドクターブレードとを備え、駆動時のドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、ロール幅方向の中央から一方の側と他方の側にそれぞれ１つずつ備え、ドクターブレードの押し込み量を調整するための調整手段を備えた塗布装置を使用し、塗布ロールによって基材にペースト状の組成物を転写する際に、各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を打ち消すように、調整手段によってドクターブレードの押し込み量を調整する工程を経て塗膜を形成する塗膜の製造方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ペースト状の組成物により塗膜を形成する塗膜の製造方法、前記塗膜の製造方法により燃料電池の電極の触媒層を形成する燃料電池の製造方法、および前記製造方法に使用される塗布装置に関するものである。

現代社会の主なエネルギー源である化石燃料の燃焼熱による動力を得て発電を行う場合、一般的にカルノーサイクルの制約を受けるが、燃料電池は燃料と酸化剤を各々電解質膜で隔てられた電極に供給し、燃料の酸化反応と他方で酸化剤の還元反応によって直接発電するため、発電効率が高い。

燃料電池は、電解質膜によりリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌｌ Ｃｅｌｌ）、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌｌ Ｃｅｌｌ）に区分される。

これらの中でも高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、小型、軽量で、８０℃の低温域で効率が高いことから車載用、家庭用電源にのみならず携帯用や小型機器に適応することができる。

ＰＥＭＦＣは、電解質膜層として水素イオン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層を配し、さらにその両面にガス拡散層なる多孔質の電極基材［ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）］を有している。

前記触媒層では、触媒を担持した導電性炭素と電解質が適度に混合されており、炭素上の触媒と電解質との界面で電極反応が起こる。そして、炭素同士の繋がりが電子伝導、電解質同士の繋がりは、水素イオン伝導の役目を果たしている。また、前記ガス拡散層は、触媒層間の電子輸送と水素などの燃料ガス輸送、および酸素と水素の反応による生成水や電解質膜中を透過した水の排出を目的とする層であり、これらの要求特性から炭素繊維不織布や炭素繊維物などの多孔質炭素材料に撥水処理としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含有する層であり、さらにこれらガス拡散層の触媒層に接する面には、しばしばＭＰＬ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｌｕｓ Ｌａｙｅｒ）層と呼ばれる層が設けられる。これは、表面平滑性の改善やガス拡散過電圧の改善、電解質膜と触媒層の乾燥を防止する役割を果たしている。

こうした燃料電池に係る電極の触媒層の形成方法としては、例えば、触媒を担持した導電性炭素粉末や水素イオン伝導性高分子電解質を溶剤に分散または溶解してなる触媒層形成用ペーストを、基材に塗布し、その後にこのペースト塗布面を電解質膜に重ね、加圧プレスした後に基材を剥離することによって電解質膜上に形成する方法や、前記のガス拡散層を基材として、その表面に触媒層形成用ペーストを塗布する方法などが採用されている。このような触媒層形成方法においては、前記の触媒層形成用ペーストを基材表面に塗布するに当たり、１回の塗工操作で、均一かつ安定に所望の塗布厚みとすることが、電極の生産性向上、延いては燃料電池の生産性向上において極めて有効である。

ペースト状の組成物を基材に塗布する方法としては、例えば、ダイコーター、バーコーター、ドクターブレード、スプレーコーターなどの塗布装置を用いる方法が一般的である。しかしながら、これらの塗布装置では、ペースト状の組成物を基材に比較的均一に塗布できるものの、塗布厚みを厚くすることが困難である。そのため、燃料電池に係る電極の触媒層を形成するには、これらの塗布装置を用いた場合には、複数回の塗工操作が要されるか、１回の塗工操作でこれを達成するには、多重塗布などの操作が必要となり、制御が複雑となる場合が多い。

これに対し、塗布ロールにより基材にペースト状組成物を転写するロールコーターは、塗工機構が比較的単純で、塗布厚みに対する自由度も高く、例えば、１回の塗工操作で、触媒層形成に必要な塗布厚みとすることもできる。

ロールコーターを用いた工程を有する電池用電極の製造技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示がある。

特許文献１では、基材を搬送するための搬送ロールと、この搬送ロールと逆方向に回転し、搬送ロールに基材を介在させて対向するコーティングロールと、コーティングロールと調整可能な間隙を有して対向するドクターロールと、コーティングロールとドクターロールの間にペーストを供給するためのペースト溜とを有するロールコーターを用いて、触媒層形成用のペーストなどを電極基材上に転写する技術を提案している。

また、特許文献２では、集電体シートに塗工される活物質のペースト粘度、塗工乾燥前後のウェット状態もしくはドライ状態の塗工膜厚または目付量を非破壊測定によりモニタし、これらのモニタ値に基づいて目標とする目付量を得るための塗工ギャップ量を決定し、ドライ状態の塗工膜厚または目付量と塗工ギャップ量とのフォードバック制御により塗工する技術を提案している。

特開昭６０−１５１９６８号公報 特許第３６８０９８５号公報

ところで、触媒層形成用ペーストを基材などに塗布する際には、その厚みの均一性を高めることが好ましく、これにより、形成される触媒層の厚みの均一性を高めて、燃料電池の特性をより高めることが可能となる。

例えば、特許文献１に記載のロールコーターでは、コーティングロールとドクターロールとの間隙を調整することで、触媒層形成用ペーストの塗布厚みが決定されるが、このロールコーターには、その駆動中に触媒層形成用ペーストの塗布厚みが変動したことを把握する手段がなく、触媒層形成用ペーストの塗布厚みの均一性を高めることが困難である。

他方、特許文献２に記載の技術では、ロールコーター駆動中の各種情報を採取し、それに応じて塗工ギャップ量を調整できるため、例えば、塗布ロールの幅方向の同一箇所においては、長期にわたって比較的塗布厚みの均一性の高め得る可能性がある。しかしながら、例えば、塗布ロールの幅方向での塗布厚みの均一性については、十分に高め得ることが困難である。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ペースト状の組成物を用いて塗膜を形成するに当たり、その厚みの均一性を高め得る塗膜の製造方法、特に、前記塗膜として燃料電池の触媒層を形成する場合に、その厚みの均一性を高め得る燃料電池の製造方法、および前記方法に使用され、ペースト状の組成物を、厚みの均一性を高くしつつ基材に塗布し得る塗布装置を提供することにある。

前記目的を達成し得た本発明の塗膜の製造方法は、ペースト状の組成物を以下の塗布装置により基材に塗布し、塗膜を形成することを特徴とするものである。すなわち、本発明の塗膜の製造方法は、少なくとも一方がロール外周に設けられたペースト保持溝を有する塗布ロールである一対のロールと、前記塗布ロールのペースト保持溝に供給される前記ペースト状の組成物を貯留するためのペースト溜と、前記塗布ロールにおける前記ペースト状の組成物の保持量を調整するために前記塗布ロールに押し当てられたドクターブレードとを備え、更に、駆動時の前記塗布ロールに対する前記ドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、前記塗布ロールの幅方向の中央から一方の側と他方の側とにそれぞれ１つずつ備え、かつ前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整するための調整手段を備えた塗布装置を使用し、前記塗布装置における前記一対のロールの間に前記基材を挿入し、前記塗布ロールによって、前記基材に前記ペースト状の組成物を転写する際に、前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を打ち消すように、前記調整手段によってドクターブレードの押し込み量を調整することを特徴とする。

また、本発明の燃料電池の製造方法は、触媒を担持している導電性炭素粉末および水素イオン伝導性高分子電解質を含有する触媒層を有する電極を備えた燃料電池の製造する方法であって、ペースト状の組成物として、触媒を担持している導電性炭素粉末、水素イオン伝導性高分子電解質および溶剤を含有する触媒層形成用ペーストを用いて、前記本発明の製造方法により触媒層を形成し、前記触媒層を有する電極を備えた燃料電池を構成する製造されたものであることを特徴とする。

更に、本発明の塗布装置は、ペースト状の組成物を基材に塗布して塗膜を形成するに当たり用いられる塗布装置であって、少なくとも一方がロール外周に設けられたペースト保持溝を有する塗布ロールである一対のロールと、前記塗布ロールのペースト保持溝に供給される前記ペースト状の組成物を貯留するためのペースト溜と、前記塗布ロールにおける前記ペースト状の組成物の保持量を調整するために前記塗布ロールに押し当てられたドクターブレードとを備えており、駆動時の前記塗布ロールに対する前記ドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、前記塗布ロールの幅方向の中央から一方の端と側と他方の側とにそれぞれ１つずつ備え、かつ前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整する調整手段を備えていることを特徴とする装置である。

本発明によれば、厚みの均一性の高い塗膜を製造することができる。本発明を燃料電池の製造に適用した場合、その触媒層の厚みの均一性が高く、良好な放電特性を有する燃料電池を構成することができる。

図１に、本発明法により製造される燃料電池の一例を模式的に示す。図１は、燃料電池の断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。

図１の燃料電池では、正極集電体５と負極集電体６の間に、ＭＥＡ１０が配置されている。ＭＥＡ１０は、正極１、負極２および電解質膜３で構成されており、４はシール材である。また、正極集電体５には正極リード線５ａが、負極集電体６には負極リード線６ａが取り付けられている。そして、７は燃料供給孔、８は燃料導出パイプ、９は酸素供給孔である。図１の燃料電池では、燃料導出パイプ８を経て燃料供給孔７からＭＥＡ１０内に燃料である水素が供給され、他方、酸素供給孔９から、酸素（または酸素を含有する空気）がＭＥＡ１０内に供給される。

ＭＥＡ１０内に供給された燃料は、負極２の負極拡散層２ａを通過して負極触媒層２ｂで酸化され、これにより生成した水素イオンが電解質膜３を通過して正極１の正極触媒層１ａで、正極拡散層１ａを経て正極触媒層１ｂ内に供給された酸素と結合して水を生成し、また、負極触媒層２ｂでの燃料の酸化により生成した電子が、負極集電体６の負極リード線６ａを通じて電池外に取り出される。

本発明法は、前記のような構成の燃料電池の製造における触媒層（正極触媒層および負極触媒層）の形成工程に、特に好ましく用いることができる。触媒層は、触媒を担持している導電性炭素粉末、水素イオン伝導性高分子電解質および溶剤を少なくとも含有する触媒層形成用ペーストを基材に転写（塗布）し、得られた触媒層形成用ペースト膜から乾燥などして溶媒を除去することで形成される。本発明法は、このような触媒層の形成に当たり、特定構成の塗布装置（ロールコーター）を使用する。ロールコーターは、塗工機構が比較的単純で、塗布厚みの自由度も高く、例えば、１回の塗工操作で触媒層形成用ペーストを必要な塗布厚みで塗布することができる。

また、本発明法で使用する塗布装置は、駆動時の塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、ロール幅方向の中央から一方の側と他方の側とにそれぞれ１つずつ備え（好ましくは、計測手段同士が離間して設置され）、更に、各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整する調整手段を備えている。

前記塗布装置により触媒層形成用ペーストを基材に転写する際には、前記各計測手段によって、塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を計測する。例えば塗布ロールの一部が磨耗したことなどにより、各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量に不均衡が生じている場合には、基材の幅方向（塗布ロールの幅方向）において、触媒層形成用ペースト膜に厚み斑が生じていることになる。よって、その場合には、塗布装置の前記調整手段によって、塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、逸早くドクターブレードの押し込み量を調整する。これにより、基材の幅方向（塗布ロールの幅方向）における触媒層形成用ペースト膜の厚みの均一性を高めることができ、延いては、厚みの均一性の高い触媒層を形成することができるようになる。

また、塗布装置における前記計測手段と前記調整手段とによって、基材の走行方向（すなわち、触媒層形成用ペースト膜の長手方向）における触媒層形成用ペースト膜の厚みの均一性も高めることができる。よって、本発明法によれば、厚みの均一性の高い触媒層形成用ペースト膜（すなわち、触媒層）を長期にわたって形成することもできる。

本発明法で使用する塗布装置は、少なくとも一対のロールと、基材に塗布するための触媒層形成用ペーストを貯留するためのペースト溜を備えている。そして、前記一対のロールのうち、少なくとも一方は塗布ロールであって、この塗布ロールは、外周に、ロール軸を中心軸とする環状またはスパイラル状のペースト保持溝を有している。

図２に、本発明法で使用できる塗布装置（ロールコーター）の一例を示す。図２の塗布装置は、前記一対のロールの両方が塗布ロールであるタイプの装置である。すなわち、図２の塗布装置では、対峙して配置された２つの塗布ロール１１、１１を備えており、それぞれの塗布ロール１１、１１には、それぞれにドクターブレード１４およびスキージブロック１８で構成された触媒層形成用ペーストを貯留するためのペースト溜１３が設けられている。また、２つの塗布ロール１１、１１には、外周に複数のペースト保持溝１９が設けられており、ペースト溜１３から供給される触媒層形成用ペーストがこれらのペースト保持溝１９で保持されるようになっている。図２の塗布装置では、基材１５の基材の両面または片面に触媒層形成用ペーストを塗布することができる。

更に、塗布ロール１１、１１に対するドクターブレード１４、１４の押込み量を計測できるように、塗布ロール１１、１１のそれぞれの両端には、計測手段（センサー）１７ａ、１７ｂが設置されている。

また、図２の塗布装置では特に図示していないが、手動によってドクターブレード１４を傾けるなどして、ドクターブレード１４両端における塗布ロール１１とのギャップを調節することで、塗布ロール１１の一方の端側と他方の端側とにおける塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量を微調整できるようになっており、これが調整手段に該当する。

ペースト溜１３に貯留された触媒層形成用ペーストを基材１５に塗布する際には、搬送用コンベアロール１６によって、垂直方向（図２中上向きの矢印方向）に基材１５を搬送し、塗布ロール１１、１１の間に挿入する。塗布ロール１１、１１は、基材１５の進行方向と同方向で、塗布ロール１１、１１同士では互いに反対方向（塗布ロール１１、１１側面に示した矢印方向）に回転して、ペースト溜１３から供給されペースト保持溝１９に保持された触媒層形成用ペーストを基材１５に塗布（転写）する。

計測手段１７ａ、１７ｂのそれぞれは、フィルム２０、２０に接続されており、このフィルム２０、２０は、塗布ロール１１とドクターブレード１４とで挟持されている。塗布ロール１１から基材に触媒層形成用ペーストが塗布されると、その摩擦によってフィルム２０が引っ張られる。その際のフィルム２０の引張量を計測手段１７で検知することで、塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量を計測できる。

そして、計測手段１７ａと計測手段１７ｂとで、塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量が不均一であると計測された場合には、ドクターブレード１４の両端のギャップ調整を行うことで、その不均一さを解消して、基材幅方向（ロール幅方向）における触媒層形成用ペースト膜の厚みの均一性を高めることができる。

また、図３に、本発明法で使用できる塗布装置（ロールコーター）の他の例を示している。図３に示す塗布装置は、基材１５を水平方向に移動させながら塗布する方式で、一対のロールのうち一方のみが塗布ロール１１であるタイプの装置である。塗布ロール１１に設けられたペースト溜１３の構成は図２の装置と同じである。また、図３では、装置の側面の概略を示しているために図示していないが、塗布ロール１１には、図２の装置に係る塗布ロール１１と同様に、外周にペースト保持溝が設けられており、さらに塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押込み量を計測できる計測手段１７ａ、１７ｂをロールの両端近傍に備えている（図３では、計測手段１７ａのみ図示している）。そして、これらの計測手段は、塗布ロール１１とドクターブレード１４とで挟持されたフィルム２０と接続されており、フィルム２０の引張量によって塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量を計測できるようになっている。また、図３の塗布装置においても、図２の塗布装置と同様に、手動によってドクターブレード１４を傾けるなどして、ドクターブレード１４両端における塗布ロール１１とのギャップを調節することで、塗布ロール１１の一方の端側と他方の端側とにおける塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量を微調整できるようになっており、これが調整手段に該当する。

図３の装置によって触媒層形成用ペーストを基材１５に塗布する際には、搬送用ベルトコンベアロール１６によって、水平方向（図３中、右向きの矢印の方向）に基材１５を搬送し、塗布ロール１１とバックアップロール１２の間に挿入する。塗布ロール１１とバックアップロール１２は、基材１５の進行方向と同方向で、塗布ロール１１とバックアップロール１２とでは互いに反対方向（塗布ロール１１およびバックアップロール１２の側面に示した矢印方向）に回転して、ペースト溜１３から供給されペースト保持溝１９に保持された触媒層形成用ペーストを基材１５に塗布（転写）する。図３の塗布装置では、基材の片面に触媒層形成用ペーストを塗布することができる。

そして、図２の装置と同様に、計測手段１７ａと計測手段１７ｂとで、塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量が不均一であると計測された場合には、ドクターブレード１４の両端のギャップ調整を行うことで、その不均一さを解消して、基材幅方向（ロール幅方向）における触媒層形成用ペースト膜の厚みの均一性を高めることができる。

なお、図３の装置では、基材１５を水平方向に搬送して触媒層形成用ペーストを塗布する機構であることから、図２の装置とは異なり、搬送用コンベアロールなどで基材を挟み込む必要がなく、基材の破損や落下などの懸念がないため、操作が簡便である。

更に、図４に示すように、図３の装置と同様の構成を有し、かつ塗布ロール１１が、基材１５の進行方向（図４中、左向きの矢印の方向）と逆方向で、バックアップロール１２と同方向に回転する方式の塗布装置によっても、基材１５の片面に触媒層形成用ペーストを塗布することができる。

図４の塗布装置はリバースコーターと称され、塗布ロール１１が基材１５の進行方向とは逆方向に回転し、触媒層形成用ペーストを、基材１５との間に一定のせん断を加えながら塗布する。図４に示すリバースコーターであれば、比較的粘度の低い触媒層形成用ペーストから高粘度の触媒層形成用ペーストまで幅広く扱うことができ、また、ペースト溜での貯留が非常に長期間になるなどして、ペーストの粘度や固形分濃度が多少変化した場合においても、基材１５と塗布ロール１１との間のギャップや押し込み量を制御することで、塗布厚みを調整することもできる。

また、図２〜図４に示す塗布装置において、触媒層形成用ペーストを保持した塗布ロール１１が、触媒層形成用ペーストが塗布される基材１５の塗布面に対して鉛直方向に上下駆動する機構を備えることで、触媒層形成用ペーストを、基材１５の所定位置に塗布したり、間欠塗布することが可能である。更に、図５に示すように、平滑な鋼板などで構成され、基材１５を固定して水平方向に移動する基材固定板２１を有し、かつ前記のように塗布ロール１１が基材１５の塗布面に対して鉛直方向に上下駆動する機構を有するロールコーターによっても、基材１５の所定位置に触媒層形成用ペーストを塗布することができる。

駆動時の塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を計測する計測手段としては、前記押し込み量を間接的に計測する手段と、前記押し込み量を直接計測する手段とが挙げられる。前記押し込み量を間接的に計測する計測手段としては、例えば、図２〜図５で示したように、塗布ロールとドクターブレードとで挟持したフィルム（触媒層形成用ペーストに使用される溶剤に対して溶解や膨潤などしない耐溶剤性を有するフィルム）の摩擦による引張量を、前記フィルムに接続したセンサーで測定する機構；駆動時の塗布ロールとドクターブレードとの間の距離をレーザーなどの光学センサーによって測定する機構；などが挙げられる。また、前記押し込み量を直接計測する計測手段としては、例えば、塗布ロールとドクターブレードとで圧力センサーを挟持し、該圧力センサーによって、駆動時の塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を計測する機構などが挙げられる。

前記の計測手段は、少なくとも、塗布ロールの幅方向の中央から一方の側と他方の側とに、それぞれ１つずつ（すなわち、２つ）設ける必要があり、例えば、塗布ロールの幅方向の中央部に１つ、並びに該中央部から一方の側および他方の側にそれぞれ１つの合計３つ設けたり、塗布ロールの幅方向の中央から一方の側と他方の側にそれぞれ２つずつ（すなわち、４つ）設けたり、更に５つ以上設けるなどしてもよい。計測手段の設置個数が多いほど、より厚みの均一性の高い触媒層形成用ペースト膜（すなわち、触媒層）を形成できるようになるが、あまり設置個数を多くすると、塗布装置の製造が難しくなるなどの不都合も生じ得るため、４つ以下程度とするのが現実的である。

なお、塗布ロールの幅方向の中央から一方の側と他方の側に設置する計測手段は、例えば、図２に示すように、ペースト溜り１３よりも塗布ロールの端部側に設置することが好ましく、より塗布ロールの端部に近い位置に設ける方が、より触媒層形成用ペースト膜の厚みの均一性を高め易くなることから、より好ましい。

また、塗布装置における各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整する調整手段としては、図２〜図５の装置のように、手動によってドクターブレードを傾けるなどして塗布ロールとドクターブレードとのギャップをドクターブレードの両端で調節することで、塗布ロールに対する押し込み量を調整する調整手段などが挙げられる。また、各計測手段の計測に基づく信号によって電気的に塗布ロールとドクターブレードとのギャップをドクターブレードの両端で調整するフィードバック機構を前記調整手段とすることもでき、この場合には、触媒層形成用ペースト膜の厚みの調整を逸早く行うことが可能となる。

また、触媒層形成用ペーストを塗布するための基材と塗布ロールとの間や、前記基材とバックアップロールとの間に挟持させる圧力センサーを計測手段として用いる場合には、基材に凹凸があった場合にも、これに追随して触媒層形成用ペースト膜の厚みを調整できるため、より厚みの均一性の高い触媒層形成用ペースト膜の形成が可能となる。

なお、図２〜図５に示す塗布装置は、本発明法で使用できるもの（すなわち、本発明の塗布装置）の一例に過ぎず、本発明法で使用できる塗布装置（すなわち、本発明の塗布装置）は、これら図２〜図５に示したものに限定される訳ではないし、図２〜図５は、塗布装置の理解を容易にするためのものであって、各構成要素のサイズなどは必ずしも正確ではない。例えば、図２〜図５の塗布装置には、触媒層形成用ペーストの自動供給および外気接触防止を目的として、分注液装置を設けてもよい。

本発明法で使用する塗布装置に係る塗布ロールとしては、基材に押し付けながら触媒層形成用ペーストを転写する機構であることから、ゴム弾性を有する弾性体で構成されていることが好ましい。塗布ロールを構成する弾性体の具体例としては、例えば、天然ゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）などが挙げられ、これらの架橋体（加硫物）が好ましく使用できる。なお、塗布ロールは、スキージとの間での摩擦や、触媒層形成用ペースト中に含有される強酸性の水素イオン伝導性高分子電解質との接触に対する耐久性が求められることから、前記例示の弾性体の中でも、耐摩耗性や耐酸性に優れるもの、具体的には、エチレンプロピレンゴムやブチルゴムがより好ましく、また、これらを過酸化物により架橋した架橋体が特に好ましい。

塗布ロールを構成する弾性体は、硬度が低すぎると、スキージが塗布ロールに一定の押圧で押し当てられた場合に、塗布ロール表面に設けられたペースト保持溝が押し潰されて、所望の塗布量のペーストを転写しにくくなる虞があることから、その硬度（ＪＩＳ−Ａ、以下同じ）は３０以上であることが好ましい。また、塗布ロールを構成する弾性体の硬度が高すぎると、触媒層形成用ペーストを塗布し、乾燥して溶剤を除去した後の触媒層にペースト保持溝の凹凸が残り、層厚の均一性が低下する虞があることから、その硬度は、７０以下であることが好ましく、５０以下であることがより好ましく、４０以下であることが更に好ましい。

また、図３や図４に示すように、塗布ロールとバックアップロールを組み合わせてなる塗布装置の場合には、バックアップロールとしては、その構成材料については特に限定されないが、例えば、耐腐食性を考慮したＳＵＳなどのステンレス鋼材料が好ましい。また、塗布ロールの好適な構成材料として上で例示した各種弾性体で構成されていてもよい。この場合、前記弾性体の硬度（ＪＩＳ−Ａ）は、前記の塗布ロールに係る弾性体以上の硬度が好ましく、５０以上であることがより好ましい。

図６に、本発明法で使用する塗布装置に係る塗布ロール１１の一例と、そのペースト保持溝１９部分（ａ−ａ’線断面）の拡大断面図を示す。ペースト保持溝１９の形状（断面形状）は、その凹凸の高低差が外周一様に均一であれば特に限定されるものではなく、Ｖ字、Ｕ字、台形、長方形、三角錐などが挙げられるが、Ｖ字型が好ましい。また、ペースト保持溝は、例えば、１本以上の条が螺旋状に連続したスパイラル構造であってもよく、図２や図６に示すように外周１周囲だけの環状の単独構造のものが、ロール軸方向に複数個設けられていてもよいが、多くは弾性を有するゴム材（弾性体）に加工するため、精度の点で単独構造であることがより好ましい。

例えばペースト保持溝が断面Ｖ字の形状を有する場合、Ｖ字部（谷部）の内角は、好ましくは３０°以上、より好ましくは４０°以上であって、好ましくは１００°以下、より好ましくは７０°以下である。前記内角が小さすぎるか大きすぎる場合には、ペーストの保持性が低下する虞がある。

また、塗布ロールに係るペースト保持溝のロール軸方向におけるピッチ（図６中「Ａ」）は、好ましくは３００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上であって、好ましくは１５００μｍ以下、より好ましくは１３００μｍ以下である。ペースト保持溝のピッチが前記好適値にある場合には、触媒層形成用ペーストの塗布厚みを制御し易く、１回の塗工操作で厚みの厚い塗布を達成し易くなる。すなわち、ペースト保持溝のピッチが小さすぎると、ペーストの塗布厚みの制御範囲が狭くなり、また、ピッチが大きすぎると、ペースト膜の平滑性が低下する虞がある。なお、本明細書でいうペースト保持溝のロール軸方向におけるピッチとは、塗布ロールのロール軸方向の断面において、ペースト保持溝の谷部の両端間の中心位置（該谷部を形成している２つの山部の、該谷部側端同士の間の中心位置）から、該谷部に隣接する谷部の両端間のロール軸方向における中心位置までの距離を意味している。

なお、図２〜図４の装置で示した基材搬送用コンベアロールとしては、基材に対して局所的な歪みやすべりなどが生じることのないゴムなどの弾性材で構成されるものあれば特に限定されないが、例えば、基材のしわを抑制するための溝切り構造を有し、エチレンプロピレンゴムを素材とするエキスパンダーローラーなどが好適である。

本発明法で用いる触媒層形成用ペーストは、触媒を担持している導電性炭素粉末、水素イオン伝導性高分子電解質および溶剤を含有しているが、その２５℃における粘度は、０．３Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、１．０Ｐａ・ｓ以上であることがより好ましい。触媒層形成用ペーストがこのような粘度を有することで、１回の塗工操作で触媒層に必要な均一な厚みの塗布がより容易となる。なお、触媒層形成用ペーストの粘度が低すぎると、触媒層形成用ペーストを基材に塗布する際の塗布厚みの制御が困難となり、１回の塗工操作で触媒層に必要な厚みを確保し難くなる他、塗布ロールとドクターブレードの間に設けるペースト溜に触媒層形成用ペーストを保持すること自体も困難となることがある。

また、触媒層形成用ペーストの２５℃における粘度は、５０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましく、５．０Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましい。

なお、本明細書でいう触媒層形成用ペーストの２５℃における粘度は、コーン式粘度計（例えば、東機産業株式会社製）を用いて、回転数を５．０ｒｐｍにして測定した値である。

触媒層形成用ペーストの粘度は、例えば、該ペーストの溶剤含有量により制御できる。ペーストをより高粘度にする場合には、ペーストの溶剤含有量を減らして、固形分濃度を高めればよい。

なお、触媒層形成用ペーストを前記のように比較的高粘度とするには、通常のペーストよりも溶剤含有量を比較的少なくすることが好ましいため、ペースト溜などで貯留中に溶剤がわずかに揮発拡散するだけでも、ペーストの固形分濃度および粘度が大きく変化してしまい、基材への連続的な均一塗布が困難となり易い。こうしたペースト溜での貯留中の溶剤の揮発拡散は、より高沸点の溶剤を用いてペーストを調製することで回避できるが、その場合、触媒層形成のために、基材に塗布後のペースト膜から溶剤を除去することが困難となる。この際、溶剤の除去を高温で行うと、触媒層に含有されている耐熱性の低い水素イオン伝導性高分子電解質の熱劣化が生じて電池特性が損なわれる虞があり、他方、溶媒の除去を低温で長時間行うと、電極の生産性が低下する他、触媒層中の残留溶剤量が多くなってやはり電池特性が低下する虞がある。

そこで、本発明法で用いる触媒層形成用ペーストは、溶剤に、沸点が１５０℃以上３００℃以下の高沸点溶剤と、該高沸点溶剤よりも沸点の低い低沸点溶剤を用いて調製することが好ましい。触媒用形成用ペーストの溶剤に、前記の高沸点溶剤と低沸点溶剤を併用することで、高沸点溶剤の作用により、例えばペースト溜での溶剤の揮発による触媒層形成用ペーストの組成変動を抑えて、連続塗工中の塗布の均一性を確保できるようになり、かつ低沸点溶剤の作用により、触媒層形成の際の溶剤の除去を容易にし、触媒層における溶剤の残留を可及的に低減して、生産性の低下や電池特性の低下を抑制できるようになる。

触媒層形成用ペーストに係る高沸点溶剤の沸点は、好ましくは１５０℃以上であって、好ましくは３００℃以下、より好ましくは２５０℃以下である。高沸点溶剤の沸点が低すぎると、例えば沸点が８２℃の２−プロパノールを溶剤として調製したペーストのように、ペースト溜などでの溶剤の揮発による組成や粘度の変動によって、連続塗工した際の塗布の均一性が損なわれてしまう虞がある。また、高沸点溶剤の沸点が高すぎると、例えば、沸点が３２７℃のテトラエチレングリコールを溶剤として調製したペーストを用いた場合のように、触媒層形成時に溶剤を除去するための乾燥に時間がかかり、また、乾燥後の触媒層中の残留溶剤量も多くなって、触媒層の内部抵抗が増大し、電池特性を低下させる場合がある。

高沸点溶剤の具体例としては、例えば、ホルムアミド（沸点：２１０℃、２０℃での誘電率：１１１．０）、Ｎ−メチルホルムアミド（沸点：１８５℃、２０℃での誘電率：１７７．０）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（沸点：１５３℃、２５℃での誘電率：３６．７）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（沸点：１６６℃、２５℃での誘電率：３７．８）、などのアミド類；シクロヘキサノン（沸点：１５５．７℃、２０℃での誘電率：１８．３）などのケトン類；１，２−エタンジオール（沸点：１９８℃、２０℃での誘電率：３８．７）、１，２−プロパンジオール（沸点：１８７℃、２０℃での誘電率：３２．０）、ジエチレングリコール（沸点：２４４℃、２０℃での誘電率：３８．７）、グリセリン（沸点：２９０℃、２５℃での誘電率：４２．５）などの多価アルコール類；γ−ブチロラクトン（沸点：２０４℃、２０℃での誘電率：３９．１）、炭酸エチレン（沸点：２３８℃、４０℃での誘電率：８９．６）、プロピレンカーボネート（沸点：２４２℃、２３℃での誘電率：６９．０）などのエステル類；ジメチルスルホキシド（沸点：１８９℃、２０℃での誘電率：４８．９）；Ｎ−メチルピロリドン（沸点：２０２℃、２５℃での誘電率：３２．０）；ニトロベンゼン（沸点：２１０℃、２５℃での誘電率：３４．８）；スクシノニトリル（沸点：２６７℃、５７．４℃での誘電率：５６．５）；スルホラン（沸点：２８７℃、３０℃での誘電率：４３．３）；などが挙げられる。高沸点溶剤は、前記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

なお、高沸点溶剤としては、前記例示のものの中でも、２０℃の誘電率が３１以上のものが好ましい。このような誘電率の高沸点溶剤であれば、水素イオン伝導性高分子電解質に対する溶解性が高く、かかる高分子電解質を比較的迅速に溶解することができる。

低沸点溶剤としては、前記の高沸点溶剤よりも沸点が低いものであればよいが、沸点が１００℃以下のものが好ましく、また、沸点が２０℃以上のものがより好ましい。このような低沸点溶剤としては、例えば、水や、前記の沸点を有する有機溶剤（低沸点有機溶剤）が挙げられ、これらを１種単独で使用してもよく、２種以上を併用しても構わない。低沸点溶剤として低沸点有機溶剤を用いた場合には、触媒層を形成する際に触媒層形成用ペーストの乾燥がより容易となる。他方、低沸点溶剤として水を用いた場合には、触媒層形成用ペーストを調製する際に発熱や発火の危険性を低減できる。また、水は粘度調整剤としても用いることができる。

前記低沸点有機溶剤としては、例えば、ジエチルエーテル（沸点：３５℃）などのエーテル類；アセトン（沸点：５６℃）、メチルエチルケトン（沸点：８０℃）などのケトン類；メタノール（沸点：６５℃）、エタノール（沸点：７８℃）、１−プロパノール（沸点：９７℃）、２−プロパノール（沸点：８２℃）などのアルコール類；テトラヒドロフラン（沸点：６６℃）などのフラン類；酢酸エチル（沸点：７７℃）などのエステル類；トリフルオロ酢酸（沸点：７２℃）；アセトニトリル（沸点：８２℃）、プロピオニトリル（沸点：９７℃）などのニトリル類；テトラヒドロピラン（沸点：８８℃）；などを挙げることができる。これらの低沸点有機溶剤は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

なお、前記例示の高沸点溶剤と前記例示の低沸点溶剤の組み合わせには、特に制限はないが、例えば、高沸点溶剤であるＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、シクロヘキサノン、１，２−エタンジオール、１，２−プロパンジオール、ジエチレングリコール、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、Ｎ−メチルピロリドン、スルホランなどは、低沸点溶剤として水、アルコール類（エタノール、１−プロパノールなど）、エーテル類（ジエチルエーテルなど）と組み合わせて用いることが、また、高沸点溶剤であるホルムアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、グリセリン、炭酸エチレン、ジメチルスルホキシド、スクシノニトリルは、低沸点溶剤として水、アルコール類（エタノール、１−プロパノールなど）と組み合わせて用いることが好ましい。前記のような高沸点溶剤と低沸点溶剤の組み合わせであれば、触媒層形成用ペーストの組成安定性確保と、触媒層形成時の溶剤除去の容易さのバランスが、より良好となる。

触媒層形成用ペースト中における高沸点溶剤の含有率は、例えば、好ましくは１０質量％以上、より好ましくは３０質量％以上であって、好ましくは９７質量％以下、より好ましくは９０質量％以下である。高沸点溶剤をこのような割合で含有する触媒層形成用ペーストであれば、前記塗布装置（ロールコーター）の塗布ロールによる塗布に適した高い安定性と安全性を確保することができる。

他方、触媒層形成用ペースト中における低沸点溶剤の含有率としては、低沸点溶剤が前記の低沸点有機溶剤の場合には、例えば、好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは１質量％以上であって、好ましくは５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下である。低沸点有機溶剤をこのような割合で含有する触媒層形成用ペーストであれば、その保存性（組成や粘度の安定性）を維持しながら、触媒層を形成する際におけるペースト塗布後の溶剤の乾燥時間を短縮でき、また触媒層中の残留溶剤量を低減することができる。

また、低沸点溶剤として水を用いる場合には、触媒層形成用ペースト中の水の含有率は、例えば、好ましくは０．１質量％以上であって、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下である。このような割合で水を含有する触媒層形成用ペーストであれば、触媒を担持している導電性炭素粉末の発熱や発火などの危険性をより低減でき、また、触媒層形成用ペーストを適度な粘度に調整することが容易となる。

触媒層形成用ペーストに係る触媒を担持している導電性炭素粉末（以下、「触媒担持炭素粉末」と略す場合がある）としては、燃料電池の電極の触媒層に一般的に用いられているものであれば特に限定されない。また、触媒担持炭素粉末は、市販品をそのまま用いることができるが、例えば、後述する炭素質材料からなる粉末を分散させて触媒担持し、炭素質材料粉末の凝集を抑制したものを用いることもできる。

触媒担持炭素粉末の形成に用い得る炭素質材料としては、特に制限はないが、例えば、カーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどを用いることができる。電子伝導性および比表面積の大きさの観点からは、例えば、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックを用いることが好ましい。また、天然黒鉛；ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリルなどの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素；などを用いることもできる。

例えば、前記のオイルファーネスブラックの市販品としては、キャボット社製の「バルカンＸＣ−７２」、「バルカンＰ」、「ブラックパールズ８８０」、「ブラックパールズ１１００」、「ブラックパールズ１３００」、「ブラックパールズ２０００」および「リーガル４００」（いずれも商品名）や、ライオン社製の「ケッチェンブラックＥＣ（商品名）」などが例示できる。

炭素質材料の形状については、特に制限はない。例えば、粒子状、繊維状などの形状が挙げられる。また、炭素質材料の大きさについても特に制限はないが、電気伝導性の観点からは、例えば、粒経が、５〜１００ｎｍであることが好ましく、２０〜６０ｎｍであることがより好ましい。また、炭素質材料の比表面積は、２０〜２０００ｍ^２／ｇであることが好ましく、５００〜１５００ｍ^２／ｇであることがより好ましい。

触媒層形成用ペーストに係る触媒（前記触媒担持炭素粉末が担持している触媒）としては、特に制限はないが、例えば、白金微粒子や、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム、金などと白金との合金微粒子などが用いられる。

触媒層形成用ペーストにおいて、触媒担持炭素粉末の含有率は、好ましくは１質量％以上、より好ましくは５質量％以上であって、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１５質量％以下である。触媒担持炭素粉末の含有率が低すぎると、触媒層を形成した時に電極反応率が低下する原因となることがある。また、触媒担持炭素粉末の含有率が高すぎると、触媒層形成用ペーストを基材に塗布する際に厚みに斑ができ易く、所望の触媒量を塗布し難くなることがある。また触媒層に過剰に含有された触媒は、水素イオン伝導性高分子電解質との界面での反応に寄与しない場合があり、ロスが大きくなる。

触媒層形成用ペーストに係る水素イオン伝導性高分子電解質としては、燃料電池の電極の触媒層に一般的に用いられているものであれば、特に制限はないが、触媒層内の水素イオン伝導性を向上させるという観点から、例えば水素イオン交換基を有するポリマーなどを用いることが好ましい。また、水素イオン交換基を有するポリマーと、エチレンやスチレンなどから得られるポリマーとの共重合体やポリマーブレンドであってもよい。

前記ポリマーが有する水素イオン交換基も特に制限はないが、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などが挙げられる。このような水素イオン交換基を有するポリマーも特に制限なく選択することができ、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成される水素イオン交換基を有するポリマーや、スルホン化ポリアリーレンなどが好ましく用いられる。

触媒層形成用ペーストにおける水素イオン伝導性高分子電解質の含有率は、例えば、好ましくは１質量％以上であって、好ましくは３０質量％以下、より好ましくは１７質量％以下である。水素イオン伝導性高分子電解質の含有率が低すぎると、触媒層の水素イオン伝導度が低下する他、バインダーとして十分機能しなくなるため、脆弱な膜となり、触媒層そのものを形成できなくなることがある。水素イオン伝導性高分子電解質の含有率が高すぎるペーストで触媒層を形成すると、電気伝導性を担う炭素粉末（炭素質材料）の触媒層における含有量が不足して、結果的に電池特性が低下する場合がある。

触媒層形成用ペーストの調製方法については、特に制限はなく、触媒担持炭素粉末および水素イオン伝導性高分子電解質を、前記高沸点溶剤と前記低沸点溶剤の混合溶剤に添加し、混合して分散させればよい。具体的には、以下の調製方法を採用することができる。

例えば、まず高沸点溶剤と水素イオン伝導性高分子電解質とを含有する溶液を調製し、この溶液に、触媒担持炭素粉末と低沸点溶剤とを加え、混合して分散させることにより、触媒層形成用ペーストを調製することができる。高沸点溶剤と水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液の調製には、公知の方法を適用すればよいが、例えば、水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液として、市販のナフィオン分散溶液［例えば、デュポン社製の「ナフィオンディスパージョン（Ｎａｆｉｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ、商品名）」や、アルドリッチ社製の「ナフィオンパーフルオリネイトイオンエクスチェンジレジン（Ｎａｆｉｏｎ ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｒｅｓｉｎ、商品名）」 ］などと、高沸点溶剤とを混合し、エバポレートすることによって、ナフィオン分散溶液の溶媒を高沸点溶剤に置換する方法を用いることができる。

また、触媒担持炭素粉末を水に混合した後に、更に水素イオン伝導性高分子電解質と高沸点溶剤とを混合する調製方法も挙げられる。この調製方法では、発熱や発火を伴う溶剤と触媒との反応を抑えられるなどの効果があることから、好ましく採用できる。

前記例示の各調製方法においては、各成分の混合順序は特に制限されない。例えば、触媒担持炭素粉末、水素イオン伝導性高分子電解質、および溶媒（高沸点溶剤および低沸点溶剤）を、順次または同時に混合し、分散させることにより、触媒層形成用ペーストを調製することができる。

前記の調製方法において、溶剤に触媒担持炭素粉末や水素イオン伝導性高分子電解質などを分散させる手段は特に限定されない。例えば、ロールミル、ボールミル、ホモミキサー、ホモジナイザー、超音波分散機、ビーズミキサー、ビーズミルなどの撹拌装置や、その他の公知の混合手段を用いて混合すればよい。

また、触媒層形成用ペーストの調製の際に、分散させた触媒担持炭素粉末や水素イオン伝導性高分子電解質などが重力によって沈降するのを防止するため、例えば、ウェーブローター、ニーダーなどの低速撹拌装置などの公知の撹拌手段を用いてもよい。

本発明法において、触媒層の形成は、前記の塗布装置（ロールコーター）を使用し、触媒層形成用ペーストを基材に転写する際に、前記計測手段での計測結果に基づいて前記調整手段によって塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量の調整し、好ましくは前記の組成や粘度を有する触媒層形成用ペーストを使用する他は特に制限はなく、従来公知の方法が採用できる。例えば、転写用基材または燃料電池用電極の拡散層用の電極基材などの基材（厚みが５〜１５０μｍ程度）の上に、前記触媒層形成用ペーストを塗布し、乾燥させることによって触媒層を形成できる。

転写用基材を用いる場合には、触媒層は、該基材の片面または両面に形成することができる。前記転写用基材の片面または両面に、間欠塗布を行うことで一定間隔に触媒層を形成してもよい。また、基材に対して１回塗布乾燥後に当該基材の上に更に重ね塗りすることで多重塗布を行ってもよい。

触媒層形成用ペーストを前記塗布装置により基材に塗布した後、乾燥させることにより、触媒層となる。乾燥温度は、通常４０〜１５０℃程度、好ましくは８０〜１３０℃程度であり、乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度である。

また、触媒層形成用ペーストの乾燥の際に、公知の減圧乾燥を併用すれば、加熱温度の低温化および乾燥時間の短縮ができ、更に、転写用基材を用いる場合には、耐熱性樹脂製の基材を用いることなく、例えば、安価で入手が容易なポリエチレンテレフタレートなどの高分子基材を使用することもできるのでより好ましい。減圧乾燥における乾燥温度は、通常２５〜１２０℃程度、好ましくは４０〜１００℃程度であり、乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜１時間程度である。

転写用基材としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレンナフタレートなどの公知の高分子フィルムを用いることができる。また、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、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）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などの公知の耐熱性フッ素樹脂のフィルムを用いることもできる。更に、前記例示の各種樹脂基材以外にも、コート紙などの塗工紙を用いることも可能である。

拡散層用の電極基材としては、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどを用いることができる。前記導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体；黒鉛、膨張黒鉛などの炭素材；ステンレススチール、モリブデン、チタンなどの金属材料；などが挙げられる。また、前記多孔質導電シートは、例えば、前記例示の導電性物質で構成される織布または不織布が挙げられる。織布としては、特に限定さないが、例えば、平織、斜文織、綴織などの織組織のものを用いることができる。また、不織布としては、特に限定されないが、例えば、抄紙法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法などの方法で製造された不織布などが使用でき、Ｅ−ＴＥＫ社製「カーボンクロス（商品名）」や、東レ社製の「カーボンペーパーＴＧＰシリーズ（商品名）」な
どの市販品を用いることもできる。

前記のように形成された触媒層を用いてＭＥＡを製造する方法としては、特に制限はないが、例えば、触媒層を形成した前記の転写用基材を２つ用意し、これらと電解質膜とを触媒層同士の間に電解質膜を挟むようにして重ねて加圧プレスした後、転写用基材を触媒層から剥離し、さらに、前記の拡散層用の電極基材をその両剥離面に接するように配置して加圧プレスする方法が採用できる。また、前記の電極基材上に触媒層を形成した場合には、この触媒層を形成した２つの電極基材と電解質膜とを、触媒層同士の間に電解質膜を挟むようにして重ねて加圧プレスすることで、ＭＥＡを製造することができる。

前記の加圧プレスは、特に限定されないが、油圧プレス機などを用いて、圧力３〜３０ＭＰａで圧着することが好ましい。また、加圧プレスの際に、１００〜１８０℃で加熱することがより好ましい。圧力および温度が前記範囲より低いと、電極の形成が十分でなく、前記範囲を超えると電極内のポアがつぶれてしまい、電池性能が低下することがあるからである。

電解質膜としては、電子伝導性を持たずに水素イオンを輸送することが可能な材料で構成された膜であれば、特に制限はない。電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなどが挙げられる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、例えば、デュポン社製の「ナフィオン（商品名）」、旭硝子社製の「フレミオン（商品名）」、旭化成社製の「アシプレックス（商品名）」、ゴア社製の「ゴアセレクト（商品名）」などが例示できる。電解質膜の厚みは、通常２０〜２５０μｍ程度であり、３０〜１５０μｍ程度であることが好ましい。

前記のようにして得られるＭＥＡに、例えば酸素供給孔や正極リード線を備えた正極集電体、および、例えば燃料供給孔や燃料導出パイプ、負極リード線を備えた負極集電体を、公知の手法により取り付けて、例えば、図１に示す構成の燃料電池を製造することができる。

正極集電体および負極集電体は、例えば、金などと白金との合金、白金、金、ステンレス鋼、ニッケルなどにより構成されるものが用いられる。

また、図１に示すように、ＭＥＡの周囲に配されるシール材としては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴム材料；ＰＴＦＥなどの樹脂材料；などにより構成されるものが挙げられる。

なお、本発明法に係る燃料電池の水素供給源としては、水素を供給することが可能なものであれば、特に限定されず、気体であっても固形であってもよい。例えば、水素ガスや、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素リチウム、アルミ粉などを用いることができる。

本発明法によれば、厚みの均一性の高い触媒層を形成できるため、放電特性の良好な燃料電池を製造できる。

また、前記の高沸点溶剤と低沸点溶剤とを用いて構成し、前記の好適粘度を有するように調製した触媒層形成用ペーストを用いた場合には、生産性良く燃料電池を製造でき、しかも、製造される燃料電池では、触媒層における残留溶剤量を可及的に低減でき、かつ触媒層に係る水素イオン伝導性高分子電解質の熱劣化も防止できるため、より優れた電池特性を確保できるようになる。そして更に、前記触媒層を、長時間の保存によっても性質が安定な保存性の高い触媒層形成用ペーストで形成することになるため、層中の組成の変動が生じ難く、触媒層の性質がより安定しており、燃料の酸化反応の再現性、すなわち、電池特性の再現性（安定性）もより優れるようになる。

よって、本発明法によって製造される燃料電池は、燃料電池の適用が期待されている各種用途に好ましく適用することができる。

なお、これまで、本発明法によって形成される塗膜として、燃料電池の触媒層を具体的に例示して説明したが、本発明の塗膜の製造方法は、燃料電池の触媒層の形成のみならず、他の塗膜の製造にも好ましく適用できる。すなわち、本発明法において使用するペースト状の組成物は、前述した触媒層形成用ペーストに限定されるものではなく、種々の構成の組成物を利用することができる。例えば、ペースト状の組成物として磁性粉を分散した塗料、または電極活物質を分散した塗料を使用して本発明法を適用することにより、厚みの均一性の高い磁性膜や電極活物質含有層を製造することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。

＜触媒層形成用ペーストの調製＞
ナフィオン分散液であるデュポン社製の「ナフィオンディスパージョン（商品名）」（水素イオン伝導性高分子電解質濃度：２０質量％、アルコール対水の質量比：１対１．３６）：５５質量部と、高沸点溶剤である１，２−プロパンジオール：４５質量部とを混合した。この混合液を、撹拌しながら１００℃に加熱することによって、前記ナフィオン分散液中のアルコールおよび水を１，２−プロパンジオールに溶媒置換して、溶液Ａを得た。

触媒担持炭素粉末である白金触媒を担持したカーボン粒子（Ｐｔ：４６質量％担持）：６．９質量部に、水を４．０質量部加えた。この分散液に溶液Ａ：２５．３質量部を加えた後、更に高沸点溶剤として１，２−プロパンジオール：４５．８質量部と、低沸点溶剤として１−プロパノールと２−プロパノールとの混合液（１−プロパノール対２−プロパノールの質量比：１対１．３）：１８．０質量部とを加え、分散機を用いて均一に分散するように十分撹拌して、触媒層形成用ペーストを得た。この触媒層形成用ペーストについて、前記の方法によって測定した２５℃における粘度は、２．０Ｐａ・ｓであった。

実施例１
＜触媒層の形成＞
図４に示す構成の塗布装置（リバースコーター）を用い、前記の触媒層形成用ペーストをペースト溜り１３に保持し、転写用基材１５であるＰＴＦＥフォルム（厚み８０μｍ）に触媒層形成用ペーストを塗布しながら、塗布ロール１１とドクターブレード１４とで挟持させたフィルム２０（耐熱性ポリイミドフィルム、厚み２５μｍ）の引張量をセンサー（計測手段）１７ａ、１７ｂ（１７ｂは図示していない）でモニタリングすることで、塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押し込み量を計測した。

塗布ロール１１とドクターブレード１４とのギャップは、およそ３０μｍを基準とし、センサー１７ａ、１７ｂでモニタリングされた塗布ロール１１の一方の側のフィルム２０の引張量と他方の側のフィルム２０の引張量とを均等とすべく、ドクターブレード１４の押し込み量の微調整を手動で行った。更に塗布ロール１１とバックアップロール１２との接触時における塗布ロール１１の押し込み量を、およそ１．０ｍｍに調節し、塗布速度は１．０ｍ／ｍｉｎとした。なお、塗布装置の塗布ロール１１には、硬度（ＪＩＳ−Ａ）が３０のＥＰＤＭ製で、ペースト保持溝１９のピッチが１２００μｍのものを用いた。

基材上に触媒層形成用ペーストを塗布して得た膜を、８０℃で１時間乾燥して塗膜（触媒層）を形成し、その厚みを測定した。触媒層の厚みの測定には、ミツトヨ（Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ）社製のデジタル厚み計を用い、３ｃｍ×３ｃｍの領域毎に測定点を１点設け、合計３０箇所の厚みを測定し、その平均値から基材の厚み（８０μｍ）を差し引いたものを、形成された触媒層の厚みとした。また、これらの厚みのばらつきの標準偏差（σ）を指数Ａとして表した。更に、触媒層の３０箇所について、単位面積（１ｃｍ^２）あたりの触媒質量を求め、そのばらつきの標準偏差（σ）を指数Ｂとして表した。触媒層の単位面積あたりの触媒質量は、基材を除く触媒層の質量を測定し、触媒層中の触媒比率と触媒担持率とを掛け、触媒層の単位面積当たりに換算して求めた。ここで、触媒層質量の測定には、電子天秤を使用した。これらの結果を表１に示す。なお、測定された触媒層の厚みの平均値は１９．５μｍであった。

＜燃料電池の作製＞
前記の触媒層を形成した転写用基材２枚と、電解質膜としてパーフルオロスルホン樹脂膜であるデュポン社製の「ナフィオン１１２（商品名）」を用意し、触媒層を電解質膜側として２枚の転写用基材で電解質膜を挟むように配置し、温度１８０℃、圧力２５ＭＰａ
の条件で３分間加圧プレスを行った。

その後、転写用基材を触媒層から剥離し、触媒層のそれら剥離面に、それぞれ拡散層としてＥ−ＴＥＸ社製の「カーボンクロス（商品名）」を配置した。次に、拡散層を触媒層に接着するために、温度１８０℃、圧力１５ＭＰａの条件で３分間加圧プレスを行ってＭＥＡを作製した。このとき、ＭＥＡの電極面積は、正負極ともに９００ｍｍ^２とした。

前記ＭＥＡの一方の面には、酸素供給孔を備えたステンレス鋼（ＳＵＳ）の正極集電体を設け、他方の面には、サーペンタイン形状で燃料を供給するための燃料供給孔を備えたＳＵＳ製の負極集電体を設けて、シリコーンゴムで構成されたシール材で接着した。次に負極集電体の外側に、燃料供給口を備え、内部に燃料を有する燃料タンクを配置して、燃料電池を得た。この燃料電池の有効面積は９００ｍｍ^２である。

前記の燃料電池８個について、相対湿度９０％以上で水素を供給し、電流密度０．３Ａ／ｃｍ^２を印加したときの作動電圧を測定した。そして、燃料電池８個の作動電圧の平均値と、これら８個の燃料電池の作動電圧のばらつきの標準偏差（σ）である指数Ｃとを求めた。結果を表２に示す。

比較例１
塗布ロール１１に対するドクターブレード１４の押み込み量のモニタリングをしない以外は、実施例１と同様にして触媒層を形成し、実施例１と同様にして、それらの厚み、厚みの標準偏差（σ）である指数Ａ、および触媒層の単位面積あたりの触媒質量ばらつきの標準偏差（σ）である指数Ｂを各々求めた。これらの結果を表１に示す。

また、前記の触媒層を用いた以外は、実施例１と同様にして燃料電池８個を作製し、この燃料電池に実施例１と同様にして水素を供給して、電流密度０．３Ａ／ｃｍ^２を印加したときの作動電圧を測定した。前記燃料電池８個の作動電圧の平均値と、作動電圧のばらつきの標準偏差（σ）である指数Ｃとを、表２に併記する。

表１から明らかなように、実施例１では、触媒層の厚みのばらつき（指数Ａ）および触媒質量のばらつき（指数Ｂ）が、比較例１に比べて１／３程度にまで低減している。この結果から、触媒層形成用ペーストの塗布に際し、塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を、少なくとも、塗布ロールの幅方向の一方の側と他方の側に、それぞれ１つずつ設置した計測手段により計測し、これらの計測手段による押し込み量の不均衡を解消するように、調整手段によって塗布ロールに対するドクターブレードの押し込み量を調整することが、触媒層の厚みの均一性向上を図る上で効果的であることが分かる。

また、表２に示す結果から、厚みの均一性が高い触媒層を有する実施例１に係る燃料電池では、より良好な特性を有していることが分かる。更に、実施例１に係る燃料電池は、作動電圧のばらつきが小さいことから、実施例１では、個々の燃料電池の特性のばらつきを低減できていることが分かる。

本発明法で製造される燃料電池の一例を示す概略図である。 本発明法で使用する塗布装置（ロールコーター）の一例を示す概略図である。 本発明法で使用する塗布装置（ロールコーター）の他の例を示す概略図である。 本発明法で使用する塗布装置（ロールコーター）の他の例を示す概略図である。 本発明法で使用する塗布装置（ロールコーター）の他の例を示す概略図である。 図２〜５の装置に係る塗布ロールの一例を示す概略図である。

符号の説明

１ 正極
１ｂ 正極触媒層
２ 負極
２ｂ 負極触媒層
３ 電解質膜
１０ ＭＥＡ
１１ 塗布ロール
１２ バックアップロール
１３ ペースト溜
１４ ドクターブレード
１７ａ、１７ｂ 計測手段
１９ ペースト保持溝
２０ フィルム

Claims (10)

1. ペースト状の組成物を塗布装置により基材に塗布し、塗膜を形成する塗膜の製造方法であって、
   前記塗布装置として、少なくとも一方がロール外周に設けられたペースト保持溝を有する塗布ロールである一対のロールと、前記塗布ロールのペースト保持溝に供給される前記ペースト状の組成物を貯留するためのペースト溜と、前記塗布ロールにおける前記ペースト状の組成物の保持量を調整するために前記塗布ロールに押し当てられたドクターブレードとを備え、更に、駆動時の前記塗布ロールに対する前記ドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、塗布ロールの幅方向の中央から一方の側と他方の側とにそれぞれ１つずつ備え、かつ前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整するための調整手段を備えた塗布装置を使用し、
   前記塗布装置における前記一対のロールの間に前記基材を挿入し、前記塗布ロールによって、前記基材に前記ペースト状の組成物を転写する際に、前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を打ち消すように、前記調整手段によってドクターブレードの押し込み量を調整することを特徴とする塗膜の製造方法。
2. ペースト状の組成物は、沸点が１５０〜３００℃の高沸点溶剤と、該高沸点溶剤よりも沸点の低い低沸点溶剤を含有しており、かつ２５℃の粘性率が０．３Ｐａ・ｓ以上である請求項１に記載の塗膜の製造方法。
3. 低沸点溶剤の沸点が１００℃以下である請求項１または２に記載の塗膜の製造方法。
4. 高沸点溶剤の２０℃における誘電率が３１以上である請求項１〜３のいずれかに記載の塗膜の製造方法。
5. 塗布ロールの有するペースト保持溝の、ロール軸方向におけるピッチが、３００〜１５００μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の塗膜の製造方法。
6. 塗布ロールは弾性体で構成されており、その硬度（ＪＩＳ−Ａ）が、３０〜７０である請求項１〜５のいずれかに記載の塗膜の製造方法。
7. 触媒を担持している導電性炭素粉末および水素イオン伝導性高分子電解質を含有する触媒層を有する電極を備えた燃料電池の製造する方法であって、
   ペースト状の組成物として、触媒を担持している導電性炭素粉末、水素イオン伝導性高分子電解質および溶剤を含有する触媒層形成用ペーストを用いて、請求項１〜６のいずれかに記載の塗膜の製造方法により触媒層を形成し、前記触媒層を有する電極を備えた燃料電池を構成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. ペースト状の組成物を基材に塗布し、塗膜を形成するための塗布装置であって、
   少なくとも一方がロール外周に設けられたペースト保持溝を有する塗布ロールである一対のロールと、前記塗布ロールのペースト保持溝に供給される前記ペースト状の組成物を貯留するためのペースト溜と、前記塗布ロールにおける前記ペースト状の組成物の保持量を調整するために前記塗布ロールに押し当てられたドクターブレードとを備えており、
   駆動時の前記塗布ロールに対する前記ドクターブレードの押し込み量を計測するための計測手段を、少なくとも、塗布ロールのロール幅方向の中央から一方の側と他方の側とにそれぞれ１つずつ備え、かつ
   前記各計測手段により計測されたドクターブレードの押し込み量の不均衡を解消するように、ドクターブレードの押し込み量を調整する調整手段を備えていることを特徴とする塗布装置。
9. 塗布ロールの有するペースト保持溝の、ロール軸方向におけるピッチが、３００〜１５００μｍである請求項８に記載の塗布装置。
10. 塗布ロールは弾性体で構成されており、その硬度（ＪＩＳ−Ａ）が、３０〜７０である請求項８または９に記載の塗布装置。
    

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