JP2006164884A - 触媒材料の塗布方法及び塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを構成する膜電極接合体において、高分子電解質膜又は多孔質支持層の表面に触媒スラリーを塗布するスプレーノズルの先端部での詰まりを防止する。
【解決手段】スプレーノズル１０内のニードル１３を回転駆動して、触媒スラリー吐出孔１２ｂを通過しようとする触媒スラリーにせん断力を与えることにより、触媒スラリーに含まれる分散粒子の凝集を抑制して、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まるのを防止するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高分子電解質膜を用いた燃料電池の製造技術に関し、詳しくは、燃料電池単セルの触媒層となる触媒スラリーの塗布方法及び塗布装置に関する。

高分子電解質膜を用いた燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータで挟み込んで燃料電池単セルを構成し、この燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタックとしている。

この膜電極接合体は、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、さらにその外側に多孔質支持層を取り付けて接合一体化した構成（あるいは多孔質支持層の表面に触媒層を形成し、これを高分子電解質膜の両面に貼り合わせて接合一体化した構成）となっている。

触媒層の形成方法としては、電着方式、ダイコータ方式、スプレー方式などの塗装方法が用いられる。そして、これらの塗装方法に使用できるように、水やプロピルアルコールなどの溶媒と、高分子電解質膜との活性度を高めるために添加された高分子材料と、白金などの触媒粒子を担持したカーボン材料などをミル装置により粒径１μｍ程度に粉砕しながら混合、分散して触媒スラリーを作製し、この触媒スラリーを上記塗装方法により高分子電解質膜または多孔質支持層に塗布している（特許文献１、特許文献２参照）。

上記塗布方法の中でも、スプレー方式は装置のコストや安全性の面から作業しやすいという利点がある。このスプレー方式としては、一定量の触媒スラリーをスプレー塗布装置の先端部分に設けられたノズル部に供給し、その付近に同様に供給されるエアーの空気圧によって微細な霧状にする方式や、スプレー塗布装置の先端に装着された回転体を高回転で回転させ、その回転体の内壁面に触媒スラリーを供給し、遠心力により微細な粒子にする方式がある。
特開２００３−３４６８２１号公報 特開２００３−１００３１４号公報

上記スプレー方式のうち、触媒スラリーをエアーで霧化する方式は、スプレー塗布装置のスラリー吐出ノズルにおいて、スラリー吐出孔をニードルで狭め、圧縮した触媒スラリーをスラリー吐出孔とニードルとの間の狭い隙間から噴霧する構成となっている。

この方式では、スラリー吐出孔内において、触媒スラリーに含まれるカーボン粒子などの分散粒子が乾燥により凝縮し、その粒子径が徐々に増大して、ついにはスラリー吐出孔とニードルとの間の隙間が詰まってしまうことがある。このように、スラリー吐出ノズルにおいて詰まりが発生すると、触媒スラリーを安定して供給することが難しくなり、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒層を均一に塗布できなくなるという問題を生じることになる。

本発明に係わる触媒材料の塗布方法は、触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布方法において、前記スプレーノズルの触媒材料吐出部において、前記触媒材料にせん断力を与えることを特徴とする。

本発明に係わる触媒材料の塗布装置は、触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布装置において、前記スプレーノズルの触媒材料吐出部において、前記触媒材料にせん断力を与えるせん断力付与手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、触媒材料吐出部を通過しようとする触媒材料にせん断力が与えられるため、触媒材料に含まれる分散粒子の凝集が抑制され、また凝集した粒子塊はせん断力により破壊されることになる。このため、触媒材料の分散粒子が凝集して触媒材料吐出孔の隙間に詰まってしまうことがなく、触媒材料を安定して供給することができる。

以下、本発明に係わる触媒材料の塗布方法及び塗布装置を実施するための最良の形態となる実施例について説明する。

図１は、実施例１に係わるスプレーノズル１０の構造を示す断面図である。このスプレーノズル１０は、第１ハウジング１１と、この第１ハウジング１１の内側に配置され、内部にニードル（ニードル部）１３が挿入された第２ハウジング１２と、ニードル１３を回転駆動するニードル駆動部（せん断力付与手段）１４とを備えて構成されている。

第１ハウジング１１にはエアー供給パイプ１５が接続され、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２との間に形成されたエアー流路１６と連通している。このエアー流路１６には、図示しないエアータンクからエアーが加圧供給される。

この第１ハウジング１１は全体が円筒形状であり、その一端に略円錐形状のエアー吐出部１１ａが形成されている。そして、エアー吐出部１１ａの先端部分にはエアー吐出孔１１ｂが形成されている。

第２ハウジング１２には触媒スラリー供給パイプ１７が接続され、第２ハウジング１２の内部に形成された触媒スラリー流路１８と連通している。この触媒スラリー流路１８には、図示しない触媒スラリータンクから触媒スラリーが加圧供給される。

この第２ハウジング１２は中央部が円筒形状であり、その一端に漏斗形状の触媒スラリー吐出部（触媒材料吐出部）１２ａが形成されている。そして、触媒スラリー吐出部１２ａの先端部分には、触媒スラリー吐出孔１２ｂが形成されている。

図１に示すように、第２ハウジング１２の触媒スラリー吐出部１２ａは第１ハウジング１１のエアー吐出孔１１ｂ内に挿入され、第１ハウジング１１のエアー吐出孔１１ｂと第２ハウジング１２の触媒スラリー吐出部１２ａとの間にエアーを吐出するための隙間を形成している。

また、触媒スラリー吐出部１２ａの内側には先端円錐形状のニードル（ニードル部）１３が挿入され、シャフト１９によりニードル駆動部１４と連結されている。

ニードル駆動部１４は、第２ハウジング１２の内部に挿入されたニードル１３を回転駆動するためのモータ２１と、図示しない電源部及び制御部などを備えて構成されている。モータ２１はニードル１３のシャフト１９と連結され、モータ２１で発生した回転力によりニードル１３が矢印方向（又は反矢印方向）に回転駆動されるように構成されている。

このニードル駆動部１４によるニードル１３の回転数は、触媒スラリーの成分や、温度条件などに応じて適宜に設定されるが、およそ２０〜２００００ｒｐｍの範囲とすることが望ましい。ちなみに、回転数が２０ｒｐｍ以下の場合は触媒スラリーの分散粒子に対して十分なせん断力を与えることができないため、凝集を抑制することができなくなる。また、回転数が２００００ｒｐｍを越えると、触媒スラリーとニードル１３との間の摩擦により温度が上昇し、溶媒成分が揮発して被塗布媒体への触媒スラリーの塗着が悪くなる。

なお、触媒スラリーとしては、水やプロピルアルコールなどの溶媒と、高分子電解質膜の活性度を高めるために添加された高分子材料と、白金などの触媒粒子を担持したカーボン粒子とを混合・分散することにより作製された触媒スラリーが用いられる。

ここで、ニードル１３の構造について説明する。図３（ａ）は、ニードル１３の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施例のニードル１３は、触媒スラリーのせん断力を高めるために、先端円錐形状となる表面部分に複数の溝１３ａが放射状に形成されている。この溝１３ａの幅ｗは約１〜１０μｍ、深さｄは２０μｍ以下とすることが望ましい。溝１３ａの断面形状としてはＶ字形状、Ｕ字形状などを用いることができる。また、溝１３ａの形状は図４に示すような螺旋形状であってもよい。

上記のように構成されたスプレーノズル１０において、触媒スラリー供給パイプ１７から第２ハウジング１２内に触媒スラリーを加圧供給するとともに、エアー供給パイプ１５からエアーを加圧供給すると、第２ハウジング１２の触媒スラリー吐出孔１２ｂから吐出された触媒スラリーは、第１ハウジング１１のエアー吐出孔１１ｂから排出されたエアーにより細かい粒子に分散され、微細な霧状となって、被塗布媒体である高分子電解質膜または多孔質支持層の表面に噴霧される。

このとき、ニードル１３を回転駆動しながら噴霧すると、触媒スラリー吐出孔１２ｂを通過しようとする触媒スラリーにせん断力が与えられるため、触媒スラリーに含まれる分散粒子の凝集が抑制され、また凝縮した粒子塊をせん断力により破壊することができる。したがって、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まってしまうことがなく、触媒スラリーを安定して供給することができる。

なお、噴霧前（待機時）にニードル１３を回転駆動し、触媒スラリー吐出孔１２ｂの近傍に滞留する触媒スラリーにせん断力を与えるようにして、噴霧中はニードル１３の回転を停止するようにしてもよい。

したがって、本実施例によれば、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まってしまうことがないため、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒スラリーを均一に塗布できるだけでなく、触媒スラリーを連続して塗布することが可能となり、作業効率を向上させることができる。

また、触媒スラリーの分散粒子径が小さくなるため、触媒層が平滑化して発電性能を向上させることができる。さらには、塗布設備における洗浄回数を減らして、使用する触媒スラリーの歩留まりを向上させることができる。

本実施例では、スプレーノズルの基本構造を変えることなしに、ニードル１３を回転駆動することにより触媒スラリーにせん断力を与えるようにしているため、スプレーノズルとしての基本性能を維持しながら触媒スラリーを安定して供給することができる。

また、本実施例では、ニードル１３に対してモータ２１によりせん断力を与えているため、触媒スラリーの成分や、温度条件などに応じて、回転数を細かく設定することができる。

さらに、本実施例では、ニードル１３の先端円錐形の表面部分に複数の溝１３ａを形成しているため、表面部分を均一面とした場合に比べて触媒スラリーに対するせん断力を高めることができる。

図２は、実施例２に係わるスプレーノズル１０Ａの構造を示す断面図である。以下、図１と同等部分には同一符号を付して説明する。また、実施例１と重複する構成、及び作用効果の説明を適宜に省略する。

本実施例のスプレーノズル１０Ａは、第１ハウジング１１と、この第１ハウジング１１の内側に配置され、内部にニードル１３が挿入された第２ハウジング１２と、ニードル１３を回転駆動するエアータービン２３とを備えて構成されている。

エアータービン２３は外周に沿って複数の羽根２３ａが設けられ、中心部がニードル１３のシャフト１９と連結されている。このシャフト１９は、第２ハウジング１２の後端に設けられた軸受け部２４と、第１ハウジング１１の後端に設けられた軸受け部２５により回動自在に支承されている。エアー供給パイプ１５から加圧供給されたエアーによりエアータービン２３が回転すると、このエアータービン２３の回転と連動してニードル１３が矢印方向（又は反矢印方向）に回転駆動される。

ニードル１３の回転数は、供給されるエアーの圧力と、エアータービン２３の羽根２３ａの形状、本数に応じて設定される。

上記のように構成されたスプレーノズル１０Ａにおいて、触媒スラリー供給パイプ１７から第２ハウジング１２内に触媒スラリーを加圧供給するとともに、エアー供給パイプ１５から圧縮されたエアーを加圧供給すると、第２ハウジング１２の触媒スラリー吐出孔１２ｂから吐出された触媒スラリーは、第１ハウジング１１のエアー吐出孔１１ｂから排出されたエアーにより細かい粒子に分散され、微細な霧状となって被塗布媒体となる高分子電解質膜または多孔質支持層の表面に噴霧される。

このとき、第１ハウジング１１内に加圧供給されたエアーによりエアータービン２３が回転し、これと連動してニードル１３が回転駆動される。これにより、触媒スラリー吐出孔１２ｂを通過しようとする触媒スラリーにせん断力が与えられるため、触媒スラリーに含まれる分散粒子の凝集が抑制され、また凝集した粒子塊はせん断力により破壊される。したがって、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まってしまうことがなく、触媒スラリーを安定して供給することができる。

したがって、本実施例においても、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まってしまうことがないため、高分子電解質膜又は多孔質支持層に触媒スラリーを均一に塗布できるだけでなく、触媒スラリーを連続して塗布することが可能となり、作業効率を向上させることができる。

また、触媒スラリーの分散粒子径が小さくなるため、触媒層が平滑化して発電性能を向上させることができる。さらには、塗布設備における洗浄回数を減らして、使用する触媒スラリーの歩留まりを向上させることができる。

本実施例では、スプレーノズルの基本構造を変えることなしに、ニードル１３を回転駆動することにより触媒スラリーにせん断力を与えるようにしているため、スプレーノズルとしての基本性能を維持しながら触媒スラリーを安定して供給することができる。

とくに、本実施例では、ニードル１３をエアーにより回転駆動するようにしているため、スプレーノズルを軽量化することができる。また、ニードル１３を回転駆動するための動力が不要となるため、製品コストを削減することができ、さらには電力などのランニングコストを削減することができる。

なお、上記各実施例では、ニードル１３を回転駆動することで触媒スラリーにせん断力を与えるようにしているが、ニードル１３を固定しておき、第１及び第２ハウジングを回転するように構成してもよい。

また、ニードル１３を回転させずに、例えば超音波発生装置（図示せず）などの加振機構を用いて振動させることによっても、触媒スラリーにせん断力を与えることができる。

さらに、上記各実施例に示したスプレーノズルの構成は、図１及び図２の構成例に限定されるものではなく、他の形式のスプレーノズルにも適用することができる。すなわち本発明は、触媒スラリーをノズルから加圧供給するとともに、その周囲からエアー加圧供給することにより触媒スラリーを細かい粒子に分散し、微細な霧状にして噴霧するように構成されたスプレーノズル一般に適用することができる。

以上説明したように、上記各実施例によれば、スプレーノズルの触媒スラリー吐出部１２ａにおいて触媒スラリーにせん断力を与えるようにしたため、触媒スラリーに含まれる分散粒子の凝集が抑制され、また凝集した粒子塊はせん断力により破壊されることになる。したがって、触媒スラリーに含まれる分散粒子が凝集して触媒スラリー吐出孔１２ｂとニードル１３との間の隙間が詰まってしまうことがなく、触媒スラリーを安定して供給することができる（請求項１，５の効果）。

また、各実施例に示すスプレーノズルでは、スプレーノズルの基本構造を変えることなしに、ニードル１３を回転駆動することにより触媒スラリーにせん断力を与えるようにしているため、スプレーノズルとしての基本性能を維持しながら触媒スラリーを安定して供給することができる（請求項２，６の効果）。

また、各実施例に示すスプレーノズルでは、ニードル１３の先端円錐形の表面部分に複数の溝１３ａを形成しているため、表面部分を均一面とした場合に比べて触媒スラリーに対するせん断力を高めることができる（請求項９の効果）。

また、実施例１に示すスプレーノズルでは、ニードル１３に対してモータ２１によりせん断力を与えているため、触媒スラリーの成分や、温度条件などに応じて、回転数を細かく設定することができる（請求項３，７の効果）。

また、実施例２に示すスプレーノズルでは、ニードル１３をエアーにより回転駆動するようにしているため、スプレーノズルを軽量化することができる。また、ニードル１３を回転駆動するための動力が不要となるため、製品コストを削減することができ、さらには電力などのランニングコストを削減することができる（請求項４，８の効果）。

実施例１に係わるスプレーノズルの構造を示す断面図。 実施例２に係わるスプレーノズルの構造を示す断面図。 （ａ）はニードルの側面図。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 ニードルの他の溝形状を示す側面図。

符号の説明

１０，１０Ａ…スプレーノズル
１１…第１ハウジング
１１ａ…エアー吐出部
１１ａ…吐出部
１１ｂ…エアー吐出孔
１２…第２ハウジング
１２ａ…触媒スラリー吐出部
１２ｂ…触媒スラリー吐出孔
１３…ニードル
１３ａ…溝
１４…ニードル駆動部
１５…エアー供給パイプ
１６…エアー流路
１７…触媒スラリー供給パイプ
１８…触媒スラリー流路
１９…シャフト
２１…モータ
２３…エアータービン
２３ａ…羽根
２４，２５…軸受け部

Claims (9)

1. 触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布方法において、
   前記スプレーノズルの触媒材料吐出部において、前記触媒材料にせん断力を与えることを特徴とする触媒材料の塗布方法。
2. 前記スプレーノズルの触媒材料吐出部内側には先端円錐形状のニードル部が挿入され、
   前記ニードル部を回転駆動することにより前記触媒材料にせん断力を与えることを特徴とする請求項１に記載の触媒材料の塗布方法。
3. 前記ニードル部をモータにより回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の触媒材料の塗布方法。
4. 前記ニードル部を前記エアーにより回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の触媒材料の塗布方法。
5. 触媒粒子を担持したカーボン粒子、溶媒及び高分子材料を含む触媒材料と、この触媒材料を霧化するエアーとをスプレーノズルに供給し、このスプレーノズルで霧状にした前記触媒材料を被塗布媒体の表面に噴霧する触媒材料の塗布装置において、
   前記スプレーノズルの触媒材料吐出部において、前記触媒材料にせん断力を与えるせん断力付与手段を設けたことを特徴とする触媒材料の塗布装置。
6. 前記スプレーノズルの触媒材料吐出部は、漏斗形状に形成された先端部と、この先端部の内側に挿入される先端円錐形状のニードル部とを備え、
   前記せん断力付与手段は、前記ニードル部を回転駆動することにより前記触媒材料にせん断力を与えることを特徴とする請求項５に記載の触媒材料の塗布装置。
7. 前記せん断力付与手段は、前記ニードル部をモータにより回転駆動することを特徴とする請求項６に記載の触媒材料の塗布装置。
8. 前記せん断力付与手段は、前記ニードル部を前記エアーにより回転駆動することを特徴とする請求項６に記載の触媒材料の塗布装置。
9. 前記ニードル部は、先端円錐形状となる表面部分に複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の触媒材料の塗布装置。
   

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