JP2009045511A - スプレイ塗布装置およびスプレイ塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗液を良好に霧化できると共に、ノズルの先端に塗液が付着して塊となる事態を防止することができる、スプレイ塗布装置およびスプレイ塗布方法を提供する。
【解決手段】塗液を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布するスプレイ塗布装置１は、中心軸Ｘ上に塗液の吐出流路１１が形成されてなる内側円筒部１２を有する塗液ノズル１０と、内側円筒部１２の外周面１２ａに対して塗液を霧化させるための流体の吐出流路２１となる隙間をあけて配置される霧化ノズル２０とを備えている。そして、内側円筒部１２の先端側には、当該内側円筒部１２の外周面１２ａから吐出流路１１の内周面１１ａに至る先細のテーパ面１４が形成されており、テーパ面１４の外周面側の端点Ｐは、霧化ノズル２０の先端と中心軸Ｘ方向において同位置または霧化ノズル２０の先端よりも塗液の吐出方向下流側に位置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、スプレイ塗布装置およびスプレイ塗布方法に関し、より詳しくは、被塗布媒体の表面に電池用電極層若しくは高分子固体型燃料電池の電解質膜の電極触媒層を形成するためのスプレイ塗布装置およびスプレイ塗布方法に関する。

被塗布媒体である基材に材料を塗布する手段の一つとしてスプレイ塗布方法があり、かかるスプレイ塗布方法を利用した製造品は多岐に渡っている。

例えば水素を燃料とし酸素を酸化剤とした発電に用いられる固体高分子型燃料電池の電解質膜へ電極触媒層を形成する方法として、スプレイ塗布方法が知られている（特許文献１〜４参照）。

固体高分子燃料電池は、ガス流路を備えた一対のセパレータの間に、ガス拡散層を介して、電極触媒層を両面形成した電解質膜が挟み込まれる形のものを１セルとして、このセルを単数で若しくは複数直列に並べて構成される。電極触媒層は、例えば白金触媒を担持したカーボン粒子、電解質溶液、及び希釈溶剤を含む触媒インクを、電解質膜に塗布することにより形成される。

しかし、触媒インク（塗液）を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布するスプレイ塗布方法においては、触媒インクを吐出するノズルの先端に触媒インクが付着し乾燥して塊となり、触媒インクの均一な噴霧を妨げる虞があった。また、触媒インクの塊が電極触媒層の表面に付着すると、電極触媒層とガス拡散層の接触面積が減る結果、良好な発電性能を十分に発揮することができない虞があり、また、電極触媒層の塊の部分に位置する電解質膜が局所的に余計な力を受ける虞があった。

この問題を解決するために、触媒インクに含まれる溶媒の成分量を触媒インクの霧化のためのエアで調整して、ノズル先端で触媒インクを乾燥させないようにした技術が提案されている（特許文献５参照）。
特開平６−２５１７８１号公報 特開２００４−３５１４１３公報 特開２００３−２１１０６３公報 特開２００６−１６４８８４公報 特開２００６−１６４９１５公報

ところが、上記特許文献５記載の技術にあっては、霧化させる触媒インクの量や粘度が制約される結果、十分に効率よく触媒インクを霧化させることができず、必ずしも均一な塗布面が得られない虞があった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、塗液を良好に霧化できると共に、ノズルの先端に塗液が付着して塊となる事態を防止することができる、スプレイ塗布装置およびスプレイ塗布方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一側面によれば、塗液を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布するスプレイ塗布装置が提供される。スプレイ塗布装置は、中心軸上に塗液の吐出流路が形成されてなる内側円筒部を有する塗液ノズルと、前記内側円筒部の外周面に対して塗液を霧化させるための流体の吐出流路となる隙間をあけて配置される霧化ノズルとを備えている。そして、前記内側円筒部の先端側には、当該内側円筒部の外周面から前記吐出流路の内周面に至る先細のテーパ面が形成されており、前記テーパ面の前記中心軸に対する角度は３０度以上４０度以下であり、前記テーパ面の外周面側の端点は、前記霧化ノズルの先端と前記中心軸方向において同位置または前記霧化ノズルの先端よりも塗液の吐出方向下流側に位置される。

上記目的を達成するための本発明の一側面によれば、前記塗液ノズルから塗液を吐出させると共に、吐出された塗液の周りに前記霧化ノズルから流体を吐出させ、塗液を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布するスプレイ塗布方法が提供される。

本発明によれば、塗液ノズルの内側円筒部にテーパ面を形成したことにより、塗液ノズルの先端に触媒インクが付着する余地がなくなる。また、テーパ面の外周面側の端点が、霧化ノズルの先端と中心軸方向において同位置または霧化ノズルの先端よりも塗液の吐出方向の下流側に位置されるため、霧化ノズルから吐出される流体が内径側に入り込む現象（流体の巻き込み）が発生して流れが乱れる事態を防止でき、塗液ノズルの先端への塗液の付着の虞をより一層回避できる。

したがって、塗液ノズルの先端に塗液が付着し乾燥して塊となることがなくなる。これにより、安定した量かつ安定したスプレイパターンで塗液を噴霧でき、塗液の均一な噴霧が可能となる。また、塗液の塊が被塗布媒体に付着する事態が防止される。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるスプレイ塗布装置の概略断面斜視図、図２は、図１に示すスプレイ塗布装置の先端部周辺の拡大断面図である。

図１及び図２に示すように、スプレイ塗布装置１は、中心軸Ｘ上に塗液の吐出流路１１が形成されてなる内側円筒部１２を有する塗液ノズル１０と、内側円筒部１２の外周面１２ａに対して塗液を霧化させるための流体の吐出流路２１となる隙間をあけて配置される霧化ノズル２０とを備えている。塗液ノズル１０には塗液の導入口１３が設けられており、霧化ノズル２０には塗液を霧化させるための流体の導入口２２が設けられている。すなわち、スプレイ塗布装置１は二流体ノズルを有しており、塗液ノズル１０と霧化ノズル２０とは、同軸（中心軸Ｘ）上に配置されている。

本実施形態のスプレイ塗布装置１は、塗液としての触媒インクを霧状にして、被塗布媒体としての電解質膜の表面に塗布することにより、高分子固体型燃料電池の電解質膜の電極触媒層を形成するためのスプレイ塗布装置である。また、ここでは、触媒インクを霧化させるための流体としてエアが使用される。

図３は、電極触媒層が両面に形成された電解質膜を含む固体高分子型燃料電池のセル断面図である。図３に示す固体高分子燃料電池５０は、電極触媒層５１を両面形成した電解質膜５２が、ガス拡散層５３を介して、一対のセパレータ５４，５５により挟み込まれて形成されている。セパレータ５４はアノード側のセパレータである。セパレータ５４にはリブ５６が設けられており、これにより燃料ガス（水素）流路５８が形成されている。また、セパレータ５５はカソード側のセパレータである。セパレータ５５にはリブ５７が設けられており、これにより酸化ガス（空気）流路５９が形成されている。

図３の固体高分子燃料電池５０は１つのセルの構成を示しており、固体高分子燃料電池は、かかるセルを単数で若しくは複数直列に並べて構成され得る。電極触媒層５１を設けた電解質膜５２はＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる。電極触媒層５１は、例えば白金触媒を担持したカーボン粒子、電解質溶液、及び希釈溶剤を含む触媒インクを、Ｎａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社の登録商標）等の電解質膜５２に塗布することにより形成される。但し、触媒インクはこれに限定されるものでない。

図２に示すように、本実施形態では、塗液ノズル１０の内側円筒部１２の先端側に、当該内側円筒部１２の外周面１２ａから吐出流路１１の内周面１１ａに至る先細のテーパ面１４が形成されている。テーパ面１４は好ましくは円錐体の側面に相当する。但し、テーパ面１４の中心軸Ｘを含む断面の外形線は直線に限られず若干湾曲した曲線であってもよい。そして、テーパ面１４の外周面側の端点Ｐは、霧化ノズル２０の先端と中心軸方向において同位置または霧化ノズル２０の先端よりも触媒インクの吐出方向Ａの下流側に位置される。すなわち、霧化ノズル２０の先端を基準点とした場合のテーパ面１４の外周面側の端点Ｐの位置座標をＬとしたとき、Ｌ≧０に設定される（但し、触媒インクの吐出方向Ａをプラス方向とする）。

図４は、ノズルの先端側にテーパ面を設けない場合のスプレイ塗布装置１０１の先端部周辺の拡大断面図である。図４に示すように、内側円筒部１２の先端側には、図２に示すようなテーパ面１４が形成されておらず、その代わりに中心軸Ｘに垂直な先端面１１４が形成されている。上記以外は図１及び図２に示すスプレイ塗布装置１と同様であるため説明を省略する。

図４に示すスプレイ塗布装置１０１では、霧化ノズル２０から噴出されるエアにより先端面１１４の表面付近で乱流が起こって、触媒インクが先端面１１４に付着し乾燥して塊となり、触媒インクの均一な噴霧が妨げられる虞がある。

また、図５に示すように、塗液ノズル１０の先端面１１４に付着した触媒インクの塊６１が、被塗布媒体である電極触媒層５１の表面に付着する虞がある。この場合、電極触媒層５１とガス拡散層５３の接触面積が減って接触抵抗が大きくなるため、良好な発電性能を十分に発揮することができない。また、ガス拡散層５３を電極触媒層５１の両面に配置してセパレータ５４，５５で荷重を掛けて挟んだ場合に、電極触媒層５１に付着した塊６１の部分に位置する電解質膜５２の部分６２が局所的に力を受け、耐久性の劣化を招く要因となる。

本実施形態のスプレイ塗布装置１を用いたスプレイ塗布方法は次の通りである。すなわち、図１及び図２に示すスプレイ塗布装置１を用いて、電解質膜５２の表面に電極触媒層５１を形成する場合、塗液ノズル１０から触媒インクを吐出させると共に、吐出された触媒インクの周りに霧化ノズル２０からエアを吐出させ、触媒インクを霧状にして電解質膜５２の表面に塗布する。

このように本実施形態では、塗液ノズル１０の内側円筒部１２にテーパ面１４を形成したことにより、塗液ノズル１０の先端に触媒インクが付着する余地がなくなる。

また、霧化ノズル２０の先端を基準点とした場合のテーパ面１４の外周面側の端点Ｐの位置座標Ｌが０よりも小さい場合には、霧化ノズル２０から吐出されるエアが内径側に入り込む現象（エアの巻き込み）が発生して流れが乱れ、塗液ノズル１０の先端への触媒インクの付着を招く虞があるが、本実施形態ではＬ≧０と設定したため、このような虞をより一層回避できる。

したがって、塗液ノズル１０の先端に触媒インクが付着し乾燥して塊となることがなくなる。これにより、安定した量かつ安定したスプレイパターンで触媒インクを噴霧でき、触媒インクの均一な噴霧が可能となる。

また、触媒インクの塊６１が電極触媒層５１に付着する事態が防止されるため、電極触媒層５１とガス拡散層５３の接触抵抗が大きくなることがなく良好な発電性能を発揮することができると共に、セパレータ５４，５５で荷重を掛けて挟んだ場合に、触媒インクの塊６１によって電解質膜５２が局所的に力を受けて損傷する事態が防止され、耐久性を向上させることができる。

なお、テーパ面１４の中心軸Ｘに対する角度αは、３０度以上４０度以下であることが、触媒インクをより良好に霧化できると共に、ノズルの先端に触媒インクが付着して塊となる事態をさらに一層防止する観点から望ましい。角度αが３０度よりもかなり小さい場合には触媒インクの霧化が困難となる虞があり、角度αが４０度よりも大きいと塗液ノズル１０の先端付近に触媒インクが付着する余地が生じる虞があるからである。

（流体解析）
次に、各種条件の下で行った塗液ノズル先端への触媒インクの付着、及び触媒インクの霧化の流体解析について説明する。具体的には、塗液ノズル１０の先端側に形成されたテーパ面１４の中心軸Ｘに対する角度（以下、ノズル先端テーパ角度）α、霧化ノズル２０の先端を基準点とした場合のテーパ面１４の外周面側の端点Ｐの位置座標Ｌ（以下、ノズル突出量）、触媒インクの粘度（以下、インク粘度）、触媒インクの吐出圧力（以下、材料圧力）、霧化エアの圧力（以下、エア圧力）の各因子の条件を変えて流体解析を行った。なお、流体解析には、汎用熱流体解析プログラムであるＳＴＡＲ−ＣＤ（開発元：ＣＤ−ａｄａｐｃｏ Ｇｒｏｕｐ）を使用した。

下記の表１は、解析における各因子の水準を示す。なお、材料圧力とインク粘度とインク流量、及びエア圧力とエア流量が、それぞれ表１に示す関係が成り立つようなノズルの形状を採用した。

図６は、解析結果を示す図表である。

解析結果より、ノズル突出量Ｌが０ｍｍで、ノズル先端テーパ角度が３０度以上４０度以下であれば、塗液ノズルの先端に触媒インクの付着がなく、触媒インクの霧化も良好であることが分かった。

また、インク粘度は５０ｍＰａｓ以上であることが望ましいことが分った。塗液ノズルから吐出する触媒インクの粘度を５０ｍＰａｓ以上とすることにより、吐出した触媒インクが塗液ノズルの外周側に回り込むことを防ぐことができるからである。これにより、塗液ノズル外周に触媒インクが付着しないので、触媒インクの霧化流体の流れを乱さず、良好な霧化が可能となり、触媒インクの塊が出来ないので電極触媒層の表面に触媒インクの塊が付着することが回避される。

また、材料圧力が８ｋＰａ以上かつインク流量が１０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、さらに好ましくは材料圧力が１２ｋＰａ以上かつインク流量が３７．３ｍｌ／ｍｉｎ以下であることが分った。このように材料圧力とインク流量を規定することにより、触媒インク液体が塗液ノズルの先端で広がって付着することを防止することができる。また、このように規定されることにより、塗液ノズルの形状が限定される。つまり、このように材料圧力とインク流量を規定すれば、塗液ノズルの先端に触媒インクが付着せず、しかも触媒インクをエアにて良好に霧化できる。

また、触媒インクの霧化のためのエア圧力が１００ｋＰａ以上かつエア流量が０．４４ＮＬ／ｍｉｎ以上であることが好ましいことが分った。このようにエア圧力及びエア流量の下限を規定することにより、触媒インクを良好に霧化することが可能な霧化ノズルの形状、塗液ノズルと霧化ノズルの配置寸法が限定される。つまり、二流体ノズルにおいて、触媒インクが塗液ノズルの先端に付着しない条件で、触媒インクを良好に霧化することができる。

（実施例）
以下に好ましい実施例について説明する。但し、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。

図１及び図２に示すスプレイ塗布装置１において、塗液ノズル１０の内側円筒部１２の外周面１２ａの半径は０．８ｍｍ、吐出流路１１の内周面１１ａの半径は０．２５ｍｍ、ノズル先端テーパ角度αは３０度、霧化ノズル２０の内周面の半径は０．９ｍｍ、ノズル突出量Ｌは０．０ｍｍとした。また、使用する触媒インクの粘度は１５０ｍＰａｓとした。このときの材料圧力は１０ｋＰａ、エア圧力は１００ｋＰａである。なお、塗液ノズル１０には、使用する触媒インクによっては耐腐食性を向上させるために樹脂コートなどの耐腐食コートを施してもよい。この実施例によれば、塗液ノズルの先端に触媒インクの付着がなく、触媒インクの霧化も良好であることが分かった。また、触媒インクの塊が電極触媒層に付着する事態が防止されるため、電解質膜が局所的に力を受けて損傷する事態が防止され、耐久性を向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の技術的概念から逸脱することなく、種々様々な変更あるいは修正を実施することができるものである。

例えば上記実施形態では、被塗布媒体である高分子固体型燃料電池の電解質膜の表面に電極触媒層を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、被塗布媒体の表面に、拡散層、電池用電極層等の各種の塗布層を形成する場合にも適用可能であり、各種の塗液が使用され得る。

本発明の一実施形態にかかるスプレイ塗布装置の概略断面斜視図である。 図１に示すスプレイ塗布装置の先端部周辺の拡大断面図である。 電極触媒層が両面に形成された電解質膜を含む固体高分子型燃料電池のセル断面図である。 ノズルの先端側にテーパ面を設けない場合のスプレイ塗布装置の先端部周辺の拡大断面図である。 触媒インクの塊が電極触媒層の表面に付着した様子を説明するための図である。 解析結果を示す図表である。

符号の説明

１ スプレイ塗布装置、
１０ 塗液ノズル、
１１ 吐出流路、
１１ａ 内周面、
１２ 内側円筒部、
１２ａ 外周面、
１４ テーパ面、
２０ 霧化ノズル、
２１ 吐出流路、
５０ 固体高分子燃料電池、
５１ 電極触媒層、
５２ 電解質膜、
Ａ 吐出方向、
Ｌ ノズル突出量（位置座標）、
Ｐ 端点、
Ｘ 中心軸、
α ノズル先端テーパ角度。

Claims (6)

1. 塗液を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布するスプレイ塗布装置であって、
   中心軸上に塗液の吐出流路が形成されてなる内側円筒部を有する塗液ノズルと、
   前記内側円筒部の外周面に対して塗液を霧化させるための流体の吐出流路となる隙間をあけて配置される霧化ノズルとを備え、
   前記内側円筒部の先端側には、当該内側円筒部の外周面から前記吐出流路の内周面に至る先細のテーパ面が形成されており、前記テーパ面の前記中心軸に対する角度は３０度以上４０度以下であり、
   前記テーパ面の外周面側の端点は、前記霧化ノズルの先端と前記中心軸方向において同位置または前記霧化ノズルの先端よりも塗液の吐出方向の下流側に位置されることを特徴とするスプレイ塗布装置。
2. 請求項１に記載のスプレイ塗布装置を用いたスプレイ塗布方法であって、
   前記塗液ノズルから塗液を吐出させると共に、吐出された塗液の周りに前記霧化ノズルから流体を吐出させ、塗液を霧状にして被塗布媒体の表面に塗布することを特徴とするスプレイ塗布方法。
3. 前記被塗布媒体の表面に電池用電極層を形成することを特徴とする請求項２に記載のスプレイ塗布方法。
4. 前記被塗布媒体である高分子固体型燃料電池の電解質膜の表面に電極触媒層を形成することを特徴とする請求項２に記載のスプレイ塗布方法。
5. 請求項２に記載のスプレイ塗布方法を用いて前記被塗布媒体の表面に形成されてなる電池用電極層。
6. 請求項２に記載のスプレイ塗布方法を用いて前記被塗布媒体である高分子固体型燃料電池の電解質膜の表面に形成されてなる電極触媒層。

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