JP2009301787A - 触媒インク塗布装置及び触媒インク塗布方法及び燃料電池用膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インク詰まりや噴射の不均一が起こり難いインク塗布装置を提供することを目的とする。
【解決手段】インク塗布装置１００であって、触媒インクを収容する触媒インク容器１１０と、前記触媒インク内のインク成分を分散させる分散装置２００と、前記触媒インク容器内の触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性のうち少なくとも１つを測定する測定部３００と、前記測定結果に基づいて前記分散装置の動作を制御する制御部４００と、前記触媒インクを噴射するための噴射部１２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池の電解質膜への触媒インクの塗布に関する。

燃料電池の電解質膜に触媒インクを噴射して塗布するスプレー装置が知られている（特許文献１）。

特開２００７−１６４９９３号公報

しかし、従来のスプレー装置は、塗布時の触媒インクの粒径、せん断応力、粘度、凝集、沈殿等について十分に考慮されていなかった。そのため、インク詰まりにより膜電極接合体の製造時間がかかったり、噴射の不均一により塗布面にムラが発生して良質な膜電極接合体が製造できないという問題が発生する場合があった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、インク詰まりや噴射の不均一が起こり難い触媒インク塗布装置を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の第１の態様は、触媒インク塗布装置であって、触媒インクを収容する触媒インク容器と、前記触媒インク容器内の触媒インクのインク成分を分散させる分散装置と、前記触媒インク容器内の触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性のうち少なくとも１つを測定する測定部と、前記測定結果に基づいて前記分散装置の動作を制御する制御部と、前記触媒インクを噴射するための噴射部とを備える。この態様によれば、触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性を制御できるので、インク詰まりや噴射の不均一を起こり難くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記制御部は、前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の大きさが予め定めた大きさよりも大きい場合には前記分散装置による前記インク成分の分散動作を強め、前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の大きさが前記予め定めた大きさよりも小さい場合には前記分散装置による前記インク成分の分散動作を弱めることにより前記インク成分の粒径、粘度、粘断性を制御してもよい。この態様によれば、触媒インクの粒径、粘度、粘断性を一定にできるので、触媒インク詰まりや噴射の不均一を起こり難くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記測定部は、前記触媒インク塗布装置が触媒インクを塗布している時に、並行して前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の測定を行ってもよい。この態様によれば、リアルタイムに粒径、粘度、粘断性を制御することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記測定部は前記触媒インクに照射した光の散乱を測定して前記インク成分の粒径を測定してもよい。この態様によれば、触媒インクのインク成分の粒径を容易に求めることが可能となる。

前記測定部は、前記インクの成分を円盤を用いてすり合わせ、前記円盤にかかる抵抗を測定することにより前記インク成分の粘度または粘断性を測定してもよい。この態様によれば、インク成分の粘度、粘断性を容易に求めることが可能となる。

本発明の第２の態様は、触媒インク塗布方法であって、触媒インクを触媒インク容器に収容し、前記触媒インク容器内の前記触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性を測定し、前記測定結果に基づいて前記触媒インク内のインク成分の分散を制御し、前記触媒インクを噴射して触媒インクを塗布する。触媒インクの粒径、粘度、粘断性を制御できるので、触媒インク詰まりや噴射の不均一を起こり難くすることが可能となる。

本発明の第３の態様は、燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、電解質膜を準備する工程と、触媒インクを準備する工程と、前記触媒インクを触媒インク容器に収容する工程と、前記触媒インク容器内の前記触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性を測定する工程と、前記測定結果に基づいて前記触媒インク内のインク成分の分散を制御する工程と、前記触媒インクを前記電解質膜に噴射して塗布する工程とを備える。この態様によれば、高品質な燃料電池用膜電極接合体を製造することが可能となる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば触媒インク塗布装置、触媒インク塗布方法の他、燃料電池用膜電極接合体の製造装置や製造方法等、様々な形態で実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る触媒インク塗布装置を模式的に示す説明図である。触媒インク塗布装置１００は、インクシリンジ１１０と、インク噴射ノズル１２０と、インク攪拌装置２００と、インク粒径測定装置３００と、コントローラ４００とを備える。インクシリンジ１１０内の触媒インク１３０はインク噴射ノズル１２０から燃料電池に用いられる電解質膜（図示せず）に噴射／塗布される。

インク攪拌装置２００は、攪拌子２０５と、攪拌用磁石２１０と、エアモータ２１５と、エア流量調整バルブ２２０と、攪拌回転センサ２２５とを備える。攪拌子２０５はインクシリンジ１１０内に配置されている。攪拌子２０５は例えばフッ素樹脂でコーティングした磁石であり、攪拌用磁石２１０が回転すると、回転して触媒インク１３０を攪拌してインク成分を分散する。なお、攪拌子２０５の形状は、棒状の他、板状、星型など様々な形状のものが使用可能である。エアモータ２１５は攪拌用磁石２１０を回転させるためのものである。エア流量調整バルブ２２０を用いてエアモータ２１５に供給するエアの流量を変えることにより、エアモータ２１５の回転数を変え、触媒インク１３０の攪拌強度を変えることが可能となる。攪拌回転センサ２２５は攪拌子２０５の回転数を検知するためのものである。

インク粒径測定装置３００はインク吸引管３１０及びインク排出管３２０を介してインクシリンジ１１０に接続されている。インク粒径測定装置３００はインク吸引管３１０を通してインクシリンジ１１０内の触媒インク１３０を吸い出し、触媒インク１３０の粒径を測定する。その後、インク粒径測定装置３００はインク排出管３２０を通して触媒インク１３０をインクシリンジ１１０内に戻す。インク吸引管３１０、インク排出管３２０には、それぞれ、バルブ３１５、３２５が設けられている。コントローラ４００はインク粒径測定装置３００から触媒インク１３０の粒径を取得し、インク攪拌装置２００の攪拌強度を制御する。

図２は、インク塗布装置の動作フローチャートであり、コントローラ４００の制御の下で実行される。ステップＳ１００では、インク攪拌装置２００が攪拌を開始し、ステップＳ１１０では、インク粒径測定装置３００が触媒インク１３０のインク成分の粒径を測定する。ステップＳ１２０において、コントローラ４００はインク粒径測定装置３００から触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定値を取得して、内部の記憶装置（図示せず）に初期粒径として格納する。そして、ステップＳ１３０において一定期間待機した後、ステップＳ１４０では、インク粒径測定装置３００が触媒インク１３０のインク成分の粒径の２回目の測定を実行する。ステップＳ１５０においては、コントローラ４００が触媒インク１３０のインク成分の粒径の２回目の測定値と初期粒径とを比較する。触媒インク１３０のインク成分の粒径の２回目の測定値が初期粒径よりも大きくなっている場合にはステップＳ１６０において攪拌強度を増大させ、大きくなっていない場合にはステップＳ１３０に戻って待機する。なお、ステップS１５０において、測定値が初期粒径よりも大きくなっていない場合には、攪拌強度を縮小させた後、ステップＳ１３０に戻って待機してもよい。

攪拌強度の増大後、ステップＳ１７０において一定期間待機した後、ステップＳ１８０ではインク粒径測定装置３００が触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定を実行する。ステップＳ１９０では、コントローラ４００が触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定値と初期粒径とを比較する。触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定値が初期粒径よりも大きくなっている場合にはステップＳ１８０に戻ってインク攪拌装置２００に対し攪拌強度を増大させ、大きくなっていない場合にはステップＳ２００において攪拌強度を縮小させる。

図３は、図２のステップＳ１１０、Ｓ１４０、Ｓ１８０における触媒インク１３０のインク成分の粒径測定時の動作フローチャートである。ステップＳ３００では、インク粒径測定装置３００がインク吸引管３１０を通してインクシリンジ１１０から触媒インク１３０をインク粒径測定装置３００内の測定部（図示せず）に吸い込む。インク粒径測定装置３００がバルブ３１５、３２５を閉じ、これにより、測定に対する攪拌の影響を抑制することが可能となる。ステップＳ３２０、Ｓ３３０では、インク粒径測定装置３００が測定部内の触媒インク１３０に光を照射し、散乱光を測定する。ステップＳ３４０において、インク粒径測定装置３００が散乱光の測定結果から触媒インク１３０のインク成分の粒径を決定すると、ステップＳ３５０でバルブ３１５、３２５を開放し、触媒インク１３０をインクシリンジ１１０に戻す。

触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定原理は以下の通りである。触媒インク１３０中に分散したインク成分である微粒子は通常ブラウン運動をしており、その動きは大きな粒子では遅く、小さな粒子になるほど早い。この時、ブラウン運動をしている粒子にレーザー光を照射すると、粒子からの散乱光にはそれぞれのブラウン運動の速度に対応した揺らぎが観測される。この揺らぎから、光子相関法により自己相関関数を求め、キュムラント法およびヒストグラム法解析を用いることにより、ブラウン運動速度を示す拡散係数、さらに粒径や粒径分布を容易に求めることが可能となる。

図４は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。先ず、電解質膜５００を準備する（図４（ａ））。電解質膜５００として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜５００上にインク塗布装置１００を用いて触媒インク１３０を噴射／塗布する（図４（ｂ）〜（ｃ））。ここで、触媒インク１３０は、触媒粒子表面に高分子電解質が吸着したコロイド溶液であり、例えば貴金属を担持した担持体（触媒粒子）と高分子電解質溶液と水とを混合して攪拌することにより得られる。触媒インク１３０は、触媒インク塗布装置１００のインクシリンジ１１０に収納され、インク噴射ノズルから電解質膜５００に噴射／塗布される。なお、このとき触媒インク１３０の塗布と並行して、触媒インク１３０のインク成分の粒径の測定及び分散が実行される。触媒インク１３０の塗布後、電解質膜５００を乾燥させることにより、電解質膜５００上に触媒層６００を形成することができる（図４（ｄ））。

以上、本実施例によれば、インク塗布装置１００は触媒インク１３０の粒径を測定して、触媒インク１３０の粒径が一定になるように触媒インク１３０の攪拌強度を制御している。そのため、触媒インク１３０の凝集、沈殿、粘度硬化を抑制することが可能となる。その結果、インク詰まりが起こりにくくなるため、膜電極接合体の製造時間を短縮することが可能となる、また、触媒インクの粒径が均一なため噴射を均一に行うことが出来、高品質な膜電極接合体を製造することが可能となる。

本実施例によれば、インク粒径測定装置３００はインクシリンジ１１０から触媒インク１３０を吸い出して触媒インク１３０の粒径を測定している。そのため、触媒インク１３０の塗布と並行して触媒インク１３０の粒径を測定することが可能となる。

本実施例では、インク成分の測定値と、初期粒径とを比較しているが、比較対象としては、初期粒径以外の値、例えば、予め定めた粒径を用いてもよい。

図５は、第１の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。第１の変形例では、触媒インク１３０の攪拌をプロペラ２３０とモータ２３５を用いて行っている点が異なる。こうすれば、触媒インク１３０の粘度が高い場合でも安定して触媒インク１３０の攪拌／分散を行うことが可能となる。

図６は、第２の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。第２の変形例では、触媒インク１３０の分散を直接ホモジナイザー２４０とホモジナイザー駆動部２４５を用いて行っている点が異なる。これによれば、超音波の持つキャビテーション現象を利用して触媒インク１３０のインク成分を分散することが可能となる。

図７は、第３の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。第３の変形例では、触媒インク１３０の分散を間接ホモジナイザー２５０とホモジナイザー駆動部２５５を用いて行っている点が異なる。これによれば、間接ホモジナイザー２５０は、インクシリンジ１１０の外部に配置されるため、触媒インク１３０の種類や濃度を変える場合に対応し易い。

図８は、間接ホモジナイザーを用いた別の変形例を示す説明図である。この変形例では、水２６０を介してシリンジ１１０内のインク成分の分散を行っている。これによれば、間接ホモジナイザー２５０とシリンジ１１０とを直接接触させることなくインク成分を分散することが可能となる。

上記説明した実施例、変形例では、インク粒径測定装置３００を用いてインク成分の粒径を測定して、その測定結果を用いてインク成分の分散強度を制御しているが、粘度、粘断性測定装置を用いてインク成分の粘度、粘断性を測定して、その測定結果を用いてインク成分の分散強度を制御してもよい。例えばインク成分の粘度、粘断性が大きい場合にはインク成分の分散強度を大きくし、インク成分の粘度、粘断性が小さい場合にはインク成分の分散強度を小さくする。ここで、インク成分の粘度、粘断性は、例えば以下のようにして測定することが可能である。２枚の円盤の間にインク成分を挟んですり合わせる。すると、インク成分はせん断状態になる。このときに２枚の円盤にかかる抵抗力を測定し、抵抗力の値からインク成分の粘度と粘断性を求める。これにより、容易にインク成分の粘度と粘断性を求めることができる。なお、円盤の代わりに円筒を用いても良い。なお、インク成分の粒径、粘度、粘断性は、本実施例で説明した方法の他、様々な方法で測定することが可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本発明の第１の実施例に係るインク塗布装置を模式的に示す説明図である。 インク塗布装置の動作フローチャートである。 図２のステップＳ１１０、Ｓ１４０、Ｓ１８０における触媒インク１３０のインク成分の粒径測定時の動作フローチャートである。 膜電極接合体の製造工程を示す説明図である。 第１の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。 第２の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。 第３の変形例に係るインク塗布装置の構成を示す説明図である。 間接ホモジナイザーを用いた別の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１００…インク塗布装置
１１０…インクシリンジ
１２０…インク噴射ノズル
１３０…触媒インク
２００…インク攪拌装置
２０５…攪拌子
２１０…攪拌用磁石
２１５…エアモータ
２２０…エア流量調整バルブ
２２５…攪拌回転センサ
２３０…プロペラ
２３５…モータ
２４０…直接ホモジナイザー
２４５…ホモジナイザー駆動部
２５０…間接ホモジナイザー
２６０…水
３００…インク粒径測定装置
３１０…インク吸引管
３１５、３２５…バルブ
３２０…インク排出管
４００…コントローラ
５００…電解質膜
６００…触媒層

Claims (7)

1. 触媒インク塗布装置であって、
   触媒インクを収容する触媒インク容器と、
   前記触媒インク容器内の触媒インクのインク成分を分散させる分散装置と、
   前記触媒インク容器内の触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性のうち少なくとも１つを測定する測定部と、
   前記測定結果に基づいて前記分散装置の動作を制御する制御部と、
   前記触媒インクを噴射するための噴射部と、
   を備える触媒インク塗布装置。
2. 請求項１に記載の触媒インク塗布装置において、
   前記制御部は、前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の大きさが予め定めた大きさよりも大きい場合には前記分散装置による前記インク成分の分散動作を強め、前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の大きさが前記予め定めた大きさよりも小さい場合には前記分散装置による前記インク成分の分散動作を弱めることにより前記インク成分の粒径、粘度、粘断性を制御する、触媒インク塗布装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の触媒インク塗布装置において、
   前記測定部は、前記触媒インク塗布装置が触媒インクを塗布している時に、並行して前記インク成分の粒径、粘度、粘断性の測定を行う、触媒インク塗布装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒インク塗布装置において、
   前記測定部は前記触媒インクに照射した光の散乱を測定して前記インク成分の粒径を測定する、触媒インク塗布装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒インク塗布装置において、
   前記測定部は、前記インクの成分を円盤を用いてすり合わせ、前記円盤にかかる抵抗を測定することにより前記インク成分の粘度または粘断性を測定する、触媒インク塗布装置。
6. 触媒インク塗布方法であって、
   触媒インクを触媒インク容器に収容し、
   前記触媒インク容器内の前記触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性を測定し、
   前記測定結果に基づいて前記触媒インク内のインク成分の分散を制御し、
   前記触媒インクを噴射して触媒インクを塗布する触媒インク塗布方法。
7. 燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
   電解質膜を準備する工程と、
   触媒インクを準備する工程と、
   前記触媒インクを触媒インク容器に収容する工程と、
   前記触媒インク容器内の前記触媒インクのインク成分の粒径、粘度、粘断性を測定する工程と、
   前記測定結果に基づいて前記触媒インク内のインク成分の分散を制御する工程と、
   前記触媒インクを前記電解質膜に噴射して塗布する工程と、
   を備える燃料電池用膜電極接合体の製造方法。

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