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最近、Lead Intelligent の子会社である Lead Hydrogen Intelligent が上海交通大学と共同で進めた研究成果が、国際学術誌『Fuel Cells』（2026 年）に正式に掲載されました。本研究は、燃料電池触媒層のロール・ツー・ロール・スロットダイコートにおいて、設備パラメータから塗布品質に至る定量分析手法を初めて構築したものとなります。ダイの変形とバックロールの振れという 2 種類の設備外乱が湿潤膜厚に与える影響メカニズムと伝達則を精緻に定量化するとともに、シム厚の「バランスの取れた最適領域」やバックロール振れに対する安定塗布ウィンドウなど、実務に直結する最適化方針を提示しました。「設備―プロセス―製品」の全リンク分析フレームワークを構築し、触媒層の規模化かつ均一な量産に理論的な土台を给予しました。

燃料電池触媒層の量産製造において、設備の稼働安定性は製品の均一性、調整効率、ラインのスケールアップ能力を直接左右します。そして、1 本のラインが抱える核心的な課題は、多くの場合、設備のミクロン単位の偏差が伝わる経路の中に隠れています。

低速での調整時には膜厚が均一で状態も安定しているのに、速度を上げ幅を広げた途端、幅方向の厚みむらや流れ方向の周期的な変動が次々と現れます。数ミクロンのダイ変形やバックロールの振れが、スラリーの流れ場と塗布液架橋（ビード）を次々と伝わるうちに、最終的には無視できない湿潤膜の欠陥へと増幅されます。

この背後にあるのは、量産現場で繰り返し直面しながら、答えることが難しかった問いだ――設備精度は規格を満たしているのに、なぜ製品の出来栄えは安定しないのか。

このほど、Lead Hydrogen Intelligent が上海交通大学と共同で完成させた最新研究成果が、水素エネルギー分野で著名な国際学術誌『Fuel Cells』（2026 年）に正式に掲載されました。本研究は、燃料電池触媒層のロール・ツー・ロール・スロットダイコートにおいて、設備パラメータから塗布品質に至る定量的な関連付けを初めて構築し、ダイの変形とバックロールの振れが湿潤膜厚に与える影響を精緻に定量化します。燃料電池触媒層の規模化かつ均一な量産に、理論的な土台を给予しました。

量産のブラックボックスを解く

「設備によるバラツキ」から「ウェット膜品質」までの定量追跡

燃料電池触媒層の製造は、高速化・連続化・規模化へと加速しています。ライン速度が高く幅が広いほど、触媒層の最終品質は設備外乱に対して敏感になります。同じ設備でも、スラリーを変え、速度を上げたり、膜厚を変えたりすると、出来栄えは全く異なる可能性があります。

従来の経験に基づくパラメータ調整や、単一の機械指標だけでは、製品の出来栄えを説明し予測するにはもはや不十分です。

真の核心的な難題はここにある――高速塗布における微小な設備偏差が、複雑な流れ場と塗布液架橋を経て、どのように観測可能な湿潤膜厚の変動へと変わるのか。

それはまるで、高速で稼働する精密機器の中で「バタフライ効果」の起点を探すようなものです。

この量産のブラックボックスを解くため、Lead Hydrogen Intelligent チームは全く新しい定量分析手法を提案しました。機械構造やプロセスパラメータを個別に捉えるのではなく、「設備外乱」「プロセス応答」「製品の最終品質」を密接に結びつけ、設備内の実際の外乱が最終的な湿潤膜品質にどのように段階的に影響するかを明確に追跡・定量化しました。

2つの見えない殺し屋

塗布機をどうダメにするのか

研究では、高速塗布プロセスにおける 2 種類の代表的な設備外乱経路を詳しく分析し、それらが膜厚均一性に与える具体的な影響を明らかにしました。

ダイ内部の圧力による構造変形（幅方向TD の均一性に影響）

高速塗布時には供給量が増え、ダイ内部の圧力が上昇します。ダイは絶対的な剛体ではなく、圧力を受けるとダイリップ中央部は構造的な拘束が少ないため開きやすく、両側は拘束が強く変形が小さいため、「中央が広く、両端が狭い」変形傾向が生まれます。

この変形により幅方向の位置ごとにスロット高さと流動抵抗が変わり、中央部の吐出量が相対的に増えます。最終的に湿潤膜は中央部が厚く、両端が薄くなります。塗布速度が高くダイ幅が広いほど、この変形は顕著になります。

バックロールの半径方向の振れによる流れ方向の変動（流れ方向MD の安定性に影響）

バックロールの振れは塗布ギャップを周期的に変化させ、ひいては液架橋の圧力とメニスカス位置を変動させます。研究では、変動の振幅・方向・周期、および塗布速度が与える影響則を詳しく解析しました。

¡ ギャップ減少時：液架橋が上流側へ移動する。変動が大きすぎるとスラリーが上流に滞留し、その後の湿潤膜は一旦薄くなってから回復し、さらにオーバーシュートすることもある。

¡ ギャップ増大時：液架橋が下流側へ移動する。大きすぎると液架橋の安定性が低下し、気体の侵入さえ生じうる。

¡ 変動振幅が大きいほど湿潤膜の起伏は顕著になり、安定塗布ウィンドウを超えると外乱の影響は急激に増幅する。

¡ 速度を上げると液架橋は安定限界に近づき、同じ振幅のバックロール振れに対してもより敏感になる。

メカニズム分析から実行可能な最適化方針へ

本研究の価値は現象を説明することだけでなく、再利用可能な分析手法を構築した点にあります。設備レベルで主要な外乱源を特定し、プロセスレベルで外乱が流れ場と液架橋の挙動をどう変えるかを分析し、製品レベルで湿潤膜の均一性と塗布安定性への影響を評価する――というものです。

これに基づき、研究では 2 つの方向から実務的な最適化の考え方を示しました。

幅方向：シム厚には「バランスの取れた最適領域」が存在する

シム厚を増やすとダイ内部の圧力が下がり変形は小さくなるが、厚すぎるとダイ自体の幅方向流量分配能力が弱まります。均一性はシム厚の増加に伴い、改善した後に悪化する「3 区間」の特徴を示します。

¡ 変形支配区：シムが薄く圧力が高いため、ダイ変形が主要な課題となる。

¡ 平衡区：変形を抑制しつつ、十分な流量分配能力も維持できる――最適な領域。

¡ 分配制限区：シムが厚すぎ、ダイ固有の流量分配の問題が支配的になる。

注意すべきは、ダイ幅が異なれば構造変形と流量分配に対する敏感さも異なるため、適切なシム厚の範囲をそのまま他に流用することはできない点です。

流れ方向：バックロールの振れを「安定塗布ウィンドウ」内に収める

バックロールの振れは単一の機械指標だけで判断すべきではなく、実際のスラリー、ライン速度、公称ギャップを総合的に勘案して評価する必要があります。核心的な原則は、バックロールの振れによって生じる瞬間ギャップが、稼働周期全体を通じて安定塗布ウィンドウ内にできるだけ収まるようにすることです。

ラインの速度を上げた時、スラリーを変更した時、膜厚を調整した時には、いずれも許容されるギャップ変動範囲を再評価する必要がある――設備精度の要件を、製品品質に向けた管理指標へと真に転換することが求められます。

「設備を作る」だけでなく「設備を理解する」

本研究の意義は、2 つの現象を説明したことだけでなく、燃料電池触媒層設備のライフサイクル全体の管理にメカニズム面の裏付けを给予した点にあります。

¡ 設計段階：スラリー特性、目標膜厚、稼働速度を勘案し、ダイ構造と流路設計が塗布品質に与える影響を評価。潜在的なリスクを早期に特定し、設計の的確性を高める。

¡ 調整段階：幅方向のむらや流れ方向の変動が生じた際、「設備―プロセス―製品」の分析連鎖を通じて、問題がダイの流量分配に由来するのか、構造応答によるものか、あるいはバックロールの状態とギャップの動的変化によるものかを効果的に切り分け、調整期間を大幅に短縮する。

¡ 稼働段階：バックロールやダイなど主要部品の稼働状態を実際の塗布結果と結びつけ、従来の設備保全を製品の均一性に向けた品質管理へと昇格させる。

Lead Hydrogen Intelligent は、顧客が必要としているのは「稼働する設備」だけではなく、品質が形成されるメカニズムを理解し、プロセス最適化と量産スケールアップを支える設備能力である、と常に信じています。

スロットダイコートをめぐり、Lead Hydrogen Intelligent が構築したのは機械構造だけではあります。設備パラメータから塗布品質に至る定量分析手法――それは設備設計に役立つだけでなく、プロセスのスケールアップ、問題診断、安定した量産にも貢献します。

「経験によるパラメータ調整」から「メカニズム駆動」へ、「単一パラメータの規格達成」から「全リンクの品質制御」へ――Lead Hydrogen Intelligent は設備レベルの深い理解で、燃料電池触媒層量産の均一性の限界を打ち破ろうとしています。

論文情報http://doi.org/10.1002/fuce.70123

Fuel Cells・2026・SCI

所属：上海交通大学・Lead Hydrogen Intelligent