JP2016101552A - 濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材料を含有するペーストを円筒形状のフィルターで濾過する濾過装置において、フィルターの目詰まりを抑制する。【解決手段】濾過装置５０は一方及び他方の開口２１，２２を有するフィルター２０と、フィルター２０の円筒面２５の外周に配置される整流器３０と、フィルター２０及び整流器３０を取り囲むハウジング１０と、を備える。フィルター２０の内腔２７は、他方の開口２２において流出路１８と連通し、かつ一方の開口２１において、流入路１６と連通するハウジングの内腔１７と分断されている。フィルター２０の中心軸２４と平行な方向において、整流器３０は、一方の開口２１の側からフィルター２０の長さの１／１０以上の長さにわたって、円筒面２５を覆っている。フィルター２０の中心軸２４と直交する方向において、整流器３０の厚さは３ｍｍ以上である。整流器３０は、５０μｍ以上、５００μｍ以下の格子目開き３５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は電極材料を含有するペーストを濾過する濾過装置に関する。

特許文献１は非水電解質二次電池の活物質層形成用ペースト又はスラリー（以下ペーストという。）の濾過フィルターを開示している。濾過されるペーストは主として電極活物質とカーボンブラックとが非水分散媒中に分散してなるものである。かかるフィルターの目開きは５０μｍ以下であることを特徴とする。かかるフィルターはペースト中に含まれる粗大粒子や微小金属粉末等を除去することができる。このため信頼性の高い電池を安定的に構築できる。

特開２０１４−１０２９６７号公報

特許文献１に記載のフィルターは円形の平板形状であるため濾過面積の大きさがその直径に制限される。図２は本願発明者らによる未開示の発明に係る濾過装置４９を表す。図２に示すように濾過装置４９は円筒形状のフィルター２０を有する。このためフィルター２０の濾過面積はその直径に制限されない。したがって、平板形状のフィルターを有する濾過装置と比較して濾過装置４９は高い濾過効率を有する。

しかしながら、非ニュートン性のペーストを用いると、図２に示すフィルター２０は目詰まりしやすい。具体的にはペースト流４４がフィルター２０を通過する際に分散質が付着する。また非ニュートン性のペーストに限らず、分散質である電極材料の固形分の割合が高いペーストほどフィルター２０は目詰まりしやすい。またペースト流４４の流速が大きいほどフィルター２０は目詰まりしやすい。

本発明は、電極材料を含有するペーストを円筒形状のフィルターで濾過する濾過装置において、フィルターの目詰まりを抑制することを目的とする。

本発明は電極材料を含有するペーストを円筒形状のフィルターで濾過する濾過装置である。濾過装置は一方及び他方の開口を有する前記フィルターと、前記フィルターの円筒面の外周に配置される整流器と、前記フィルター及び前記整流器を取り囲むハウジングと、を備える。

前記ハウジングは、前記ペーストの流入路及び流出路を有する。前記フィルターの内腔は、前記他方の開口において前記流出路と連通し、かつ前記一方の開口において、前記流入路と連通する前記ハウジングの内腔と分断されている。

前記フィルターの中心軸と平行な方向において、前記整流器は、前記一方の開口の側から前記フィルターの長さの１／１０以上の長さにわたって、前記円筒面を覆っている。前記フィルターの中心軸と直交する方向において、前記整流器の厚さは３ｍｍ以上である。前記整流器は、５０μｍ以上、５００μｍ以下の格子目開きを有する。前記格子目開きの開孔は、前記ハウジング側から前記フィルター側に向かって開孔している。

電極材料を含有するペーストを円筒形状のフィルターで濾過する濾過装置において、フィルターの目詰まりを抑制できる。

実施形態にかかる濾過装置の全体図である。 課題にかかる濾過装置の全体図である。

図１は実施形態にかかる濾過装置５０の全体図である。また内部を参照できるように部分的に切り欠いてある。図中の濾過装置５０の左半分はフィルター及び整流器の外観を表し、右半分はフィルター及び整流器の端面を表す。課題にかかる図２においては、図１と同等の構成要素に同一の符号を付すことで、その説明を省略している。

図１に示すように濾過装置５０は電極材料を含有するペーストをフィルター２０で濾過する。濾過装置５０はハウジング１０と、フィルター２０と、整流器３０とを備える。

上記電極材料には例えば、カーボンブラック等の黒鉛系の負極活物質、カルボキシルメチルセルロース（CMC）、結着剤が含まれる。CMCは増粘剤、安定化剤、流動化剤又は結着剤として用いられていてもよい。なお活物質は正極活物質でもよい。

上記結着剤はポリフッ化ビニリデン（PVdF）、メチルセルロース（MC）、CMC、ヒドロキシプロピルセルロース（HPC）、ポリビニルブチラール（PVB）、ポリエチレン（PE）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）及びスチレンブタジエンラバー（SBR）からなる群から選ばれる一又は二以上の化合物であってもよい。

図１に示すようにハウジング１０は胴部１１、入口部１２、フランジ１３及び出口部１４を備える。胴部１１は入口部１２と出口部１４との間に位置する。フランジ１３は胴部１１と出口部１４との間に位置する。ハウジング１０は胴部１１においてフィルター２０及び整流器３０を取り囲む。フィルター２０及び整流器３０は内腔１７に位置する。

図１に示すようにハウジング１０は、ペーストの流入路１６、内腔１７、流出路１８を有する。流入路１６は入口部１２を貫通している。内腔１７は胴部１１内に位置する。流出路１８はフランジ１３の内側と出口部１４を貫通している。流入路１６及び内腔１７は互いに連通している。内腔１７及び流出路１８は互いに連通している。

ハウジング１０の材質はステンレス鋼が好ましく、日本工業規格ＳＵＳ３０４のステンレス鋼（国際規格ISO15510、ISOナンバー：4301-304-00-I、記号：X5CrNi18-10）が特に好ましい。

図１に示すようにフィルター２０は円筒形状を有する。フィルター２０は円筒形状の長手方向の両端の一方の開口２１及び他方の開口２２を有する。開口２２側においてフィルター２０はハウジング１０と接する。開口２２は流出路１８の部分を除きハウジング１０によって密閉されている。

図１に示すようにフィルター２０に係る円筒形状は中心軸２４を有する。中心軸２４と平行な方向においてフィルター２０の開口２２側の端部の位置はフランジ１３の胴部１１側の面の位置と一致してもよい。

図１に示すようにフィルター２０に係る円筒形状は開口２１及び開口２２の間に円筒面２５を有する。フィルター２０はその円筒形状の内部に内腔２７を有する。内腔２７は開口２２において流出路１８と連通する。

図１に示すように内腔２７は開口２１においてハウジング１０の有する内腔１７と分断されている。ここでいう内腔１７からはフィルター２０の占める部分が除外されている。特に断らない限り以下同様とする。

一例として図１に示すように開口２１は蓋２９で閉じられている又は塞がれている。蓋２９とフィルター２０とは一体に形成されていてもよい。蓋２９は平板でもメッシュでも良い。メッシュである蓋２９の目開きはフィルター２０の目開きと同じか又はこれよりも小さい。上記構成によりペーストがフィルター２０の外側にあれば濾過前であり、ペーストがフィルター２０の内側にあれば濾過後となる。

図１に示すフィルター２０は円筒面２５に沿って格子が広がっている格子状構造体であることが好ましい。格子は円筒面２５の全体に広がっていることが好ましい。格子は実質的な正方格子であることが好ましい。

図１に示すフィルター２０の目開きは５０μｍ以下であることが好ましい。フィルター２０の材質は熱可塑性樹脂が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）が特に好ましい。かかるフィルター２０はペースト中に含まれる粗大粒子や微小金属粉末等を除去することができる。

図１に示す中心軸２４と平行な方向において、フィルター２０の長さは例えば２５４ｍｍ以上、５０８ｍｍ以下とすることができる。フィルター２０の直径は例えば１５０ｍｍ以上とすることができる。

図１に示すように整流器３０はフィルター２０を覆う部材である。整流器３０は円筒面２５の周囲に配置される。または整流器３０は円筒面２５の外周に配置される。整流器３０は湾曲した板又は四角片でもよく、円筒でもよい。整流器３０は円筒面２５の外周の全体を覆っていることが好ましい。

整流器３０の材質はステンレス鋼が好ましく、日本工業規格ＳＵＳ３０４のステンレス鋼（国際規格ISO15510、ISOナンバー：4301-304-00-I、記号：X5CrNi18-10）が特に好ましい。整流器３０はハウジング１０と同一の材料から一体に形成されていてもよい。言い換えれば整流器３０はハウジング１０の内腔１７側の一部に、整流部として形成されていてもよい。

図１に示すように整流器３０は、開口２１の側から中心軸２４と平行な方向に向かって円筒面２５を覆っている。言い換えれば整流器３０は内腔１７中を流れるべきペースト流の上流側に位置する。本明細書においてペースト流とは濾過時に予定されるペーストの流れを表す。

かかるペースト流を図１に沿って詳細に説明する。ハウジング１０の外部のペーストはペースト流４１に乗る。ペースト流４１は流入路１６を通ってハウジング１０の外部から内腔１７に達する。流入路１６は中心軸２４の延長線上にある。流入路１６は開口２２の反対側で開口２１に対向する側にある。

内腔１７に達したペーストは蓋２９に衝突して向きを変える。ペーストは整流部３０のさらに外側に回り込んでペースト流４２に乗る。ペースト流４２は整流器３０及びフィルター２０を通って内腔１７から内腔２７に達する。ペーストはフィルター２０を通過する際に濾過される。内腔２７に達したペーストはペースト流４３に乗る。ペースト流４３は流出路１８を通って内腔１７からハウジング１０の外部に達する。

上記説明した濾過時のペーストの流れを踏まえつつ図１に示す整流器３０の構成を更に説明する。中心軸２４と平行な方向において、整流器３０がフィルター２０を覆っている部分の長さＬｃ（Length of covering part）はフィルター２０の長さＬｆ（Length of filter）の１／１０以上にわたる。一例としてＬｃ／Ｌｆを５０／４８０以上としてもよい。またＬｆが４８０ｍｍであれば、Ｌｃを５０ｍｍ以上としてもよい。

図１に示すように整流器３０は円筒面２５における開口２１の側の端から円筒面２５を覆うことが好ましい。さらに整流器３０はフィルター２０の上流側の一部分のみ覆うだけでもよい。一例としてＬｃ／Ｌｆを１００／４８０以下としてもよい。またＬｆが４８０ｍｍであれば、Ｌｃを１００ｍｍ以下としてもよい。

上記を言い換えれば図１に示す整流器３０は内腔１７をフィルター２０側とハウジング１０側に分断しなくともよい。これは整流器３０がフィルター２０に対するプレフィルター又は外フィルターとして設けられたものではないからである。かかる態様においても後述するようなフィルター２０の目詰まりの抑制効果が得られる。

一方で、図１に示す整流器３０はフィルター２０の全体を覆ってもよい。この場合整流器３０はフィルター２０の目詰まりをさらに強く抑制することができる。この場合、ＬｃはＬｆに等しくてもよい。かかる整流器３０によりフィルター２０が所望の濾過性能を発揮する期間をさらに長くすることができる。

図１に示すように整流器３０は中心軸２４と平行な方向において、一方端３１及び他方端３２を備える。一方端３１及び他方端３２との間の長さはＬｃ以上あることが好ましい。言い換えれば、中心軸２４と平行な方向において整流器３０の長さはＬｃ以上あることが好ましい。整流器３０はかかる長さを有することでフィルター２０を覆っている部分の長さＬｃを確保することができる。

図１に示すように中心軸２４と直交する方向において、整流器３０の厚さＴ（Thickness）は３ｍｍ以上である。かかる厚さＴは整流器３０がフィルター２０を覆う部分の厚さである。整流器３０はかかる厚さを有することでペースト流４２を整流することができる。

図１に示す円筒面２５と整流器３０のフィルター２０側の面との間隔は０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。かかる間隔が設けられていることで、整流されたペーストはその流れる方向を実質的に保ったまま円筒面２５を透過する。

図１に示すように整流器３０は格子目開き３５を有する格子状構造体である。かかる格子状構造体は縦格子３７及び横格子３８を有する。便宜的に中心軸２４に対する傾きが小さい方を縦格子３７と呼び、大きい方を横格子３８と呼ぶものとする。かかる格子状構造体は横格子３８のみ有するものであってもよい。

図１に示す格子間隔Ｌｓ（Lattice spacing）、いわゆる格子目開きは５０μｍ以上、５００μｍ以下である。かかる格子間隔Ｌｓは縦格子３７及び横格子３８のいずれにも適用できる。縦格子３７及び横格子３８の格子間隔は互いに異なるものであってもよい。

図１に示す縦格子３７及び横格子３８の方向は制限されない。例えば縦格子３７及び横格子３８は互いに斜め４５度の格子でも良い。縦格子３７と横格子３８は直交していなくともよい。整流器３０は実質的に正方格子からなる格子状構造体であることが好ましい。

図１に示す中心軸２４と直交する方向において、縦格子３７と横格子３８は互いにその厚さが異なっていてもよい。これらの厚さのうち厚い方を厚さＴとしてもよく、薄い方を厚さＴとしてもよい。

図１に示すように格子目開き３５におけるそれぞれの開孔３６は、ハウジング１０からフィルター２０側に向かって開孔している。格子目開き３５はメッシュでもよい。縦格子３７と横格子３８は、隣り合う開孔３６同士に挟まれた幅が異なっていてもよい。開孔３６は中心軸２４と直交する方向と平行に延びるように形成されていることが好ましい。

図１に示すように整流器３０はペースト流４２を整流する。また整流器３０はフィルター２０の外周側からフィルター２０の内周側に向かうペーストを整流する。これによりペースト中の粒子は、これらがフィルター２０に到達する前に整流される。整流されたペースト流４２は中心軸２４に直交する方向と平行になる。このため、ペースト流４２は図１に示すペースト流４４が生ずるような目詰まりを生じにくい。

上記を言い換えれば図１に示す整流器３０は、ペースト流４２がフィルター２０を通過する際にラッシュ現象を抑制できる。ラッシュ現象とはフィルター２０のようなフィルター表面でケーキ形成が起きることをいう。ケーキ形成とは良品ペーストの分散質がフィルターに付着することをいう。良品ペーストとは分散質の分散状態が良好なため本来であればフィルター２０を透過するペーストをいう。

図１に示す整流器３０はラッシュ現象を抑制することから、フィルター２０の閉塞を抑制することができる。特に断りのない限り、本明細書においては「目詰まり」の用語はラッシュ現象による目詰まりのことをいう。

図１に示す濾過装置５０においては、フィルター２０の格子目開きを大きくしなくても、フィルター２０の目詰まりを抑制することができる。すなわち異物除去率を低下させなくてもフィルター２０の目詰まりを抑制することができる。したがってフィルター２０の寿命を向上させることができる。また濾過装置５０においてはフィルター２０の交換頻度を低下させることができる。

ラッシュ現象はペーストの粘度を高めた場合に発生しやすい。これに対し、図１に示す濾過装置５０においては、ペーストの粘度を高めた場合でもフィルター２０の目詰まりを抑制できる。また非ニュートン性のペーストを用いた場合でもフィルター２０の目詰まりを抑制できる。

ラッシュ現象はペースト中の分散質である電極材料の固形分の割合を高めた場合に発生しやすい。これに対し、図１に示す濾過装置５０においては、かかる固形分の割合を高くした場合でもフィルター２０の目詰まりを抑制できる。したがって電極材料の固形分の割合を高くすることで、電極材料の質量あたりの濾過効率を向上することができる。

ラッシュ現象はペースト流の流速を大きくした場合に発生しやすい。図１に示す濾過装置５０においては、ペースト流の流速を大きくした場合でもフィルター２０の目詰まりを抑制できる。したがってペースト流の流速を大きくすることで、ペースト体積あたりの濾過効率を向上することができる。

図１に示すところにならい実施例及び比較例にかかる濾過装置５０を組み立てた。フィルター２０（図１）の長さＬｆは480ｍｍであった。フィルター２０の目開きは５０μｍであった。フィルター２０の直径は８０ｍｍであった。円筒面２５と整流器３０のフィルター２０側の面との間隔は３ｍｍであった。

図１に示すように中心軸２４と平行な方向において整流器３０の上流側に当たる一方端３１と、開口２１との位置を揃えた。整流器３０がフィルター２０を覆っている部分の長さＬｃは整流器３０の長さと一致した。実施例１−７及び比較例１−５にかかる整流器３０の格子間隔（格子目開き）Ｌｓ、厚さＴ及び長さＬｃを表１に示す通りとした。

ペーストは以下の通り作製した。分散質全体（100質量％）に対して98質量％以上、98.5質量％以下の活物質、0.5質量％以上、1.0質量％以下のCMC及び1.0質量％の結着剤を配合した。活物質は黒鉛であった。結着剤はＳＢＲであった。最終固形分率ＮＶは６３％であった。回転式粘度計で測定される粘度は回転速度１ｒｐｍにおいて9.8Ｐａ秒であった。

濾過装置５０の流入路１６より上記ペーストを流し入れた。一方、流出路１８より上記ペーストを流し出した。流量は毎分0.03Ｌであった。

表１中の判定は以下の基準で判定した結果を示す。各例において整流器３０が無い場合と比べて目詰まりの早さを判定した。
− フィルター２０の目詰まりが早かった又は同等であった。
＋ フィルター２０の目詰まりは遅かった。
＋＋ フィルター２０が目詰まりするような傾向は見られなかった。

表１に示すように実施例１−３においてはフィルター２０（図１）の目詰まりの抑制が見られた。一方、比較例１，２においてはかかる抑制が見られなかった。比較例１においてはケーキ形成が顕著に見られた。比較例２においては、フィルター２０の目詰まりが早いことから整流効果なしと判定された。このため、整流器３０の格子間隔Ｌｓが５０μｍ以上、５００μｍ以下であれば、整流器３０が無い場合よりもフィルター２０の寿命が向上することが分かった。

表１に示すように実施例３−４においてはフィルター２０（図１）の目詰まりの抑制が見られた。一方、比較例３においてはかかる抑制が見られなかった。比較例３においては、フィルター２０の目詰まりが早いことから整流効果なしと判定された。このため、整流器３０の厚さＴが３μｍ以上であれば、整流器３０が無い場合よりもフィルター２０の寿命が向上することが分かった。

表１に示すように実施例２，５−７においてはフィルター２０（図１）の目詰まりの抑制が見られた。一方、比較例４，５においてはかかる抑制が見られなかった。このため、整流器３０がフィルター２０を覆っている部分の長さＬｃが５０μｍ以上であれば、整流器３０が無い場合よりもフィルター２０の寿命が向上することが分かった。

なお、本発明は上記実施形態又は実施例に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。フィルター２０は一層又は二層以上のフィルターでもよい。フィルター２０が二層以上のフィルターである場合、整流器３０はフィルター２０の最外層のフィルターに面するものであることが好ましい。

１０ ハウジング
１１ 胴部
１２ 入口部
１３ フランジ
１４ 出口部
１６ 流入路
１７ 内腔
１８ 流出路
２０ フィルター
２１，２２ 開口
２４ 中心軸
２５ 円筒面
２７ 内腔
２９ 蓋
３０ 整流器
３１ 一方端
３２ 他方端
３５ 格子目開き
３６ 開孔
３７ 縦格子
３８ 横格子
４１〜４４ ペースト流
４９，５０ 濾過装置
Ｌｃ 整流器３０がフィルター２０を覆っている部分の長さ
Ｌｆ フィルター２０の長さ
Ｌｓ 格子間隔
Ｔ 整流器３０の厚さ

Claims (1)

1. 電極材料を含有するペーストを円筒形状のフィルターで濾過する濾過装置であって、
   一方及び他方の開口を有する前記フィルターと、
   前記フィルターの円筒面の外周に配置される整流器と、
   前記フィルター及び前記整流器を取り囲むハウジングと、を備え、
   前記ハウジングは、前記ペーストの流入路及び流出路を有し、
   前記フィルターの内腔は、前記他方の開口において前記流出路と連通し、かつ前記一方の開口において、前記流入路と連通する前記ハウジングの内腔と分断されており、
   前記フィルターの中心軸と平行な方向において、前記整流器は、前記一方の開口の側から前記フィルターの長さの１／１０以上の長さにわたって、前記円筒面を覆っており、
   前記フィルターの中心軸と直交する方向において、前記整流器の厚さは３ｍｍ以上であり、
   前記整流器は、５０μｍ以上、５００μｍ以下の格子目開きを有し、
   前記格子目開きの開孔は、前記ハウジング側から前記フィルター側に向かって開孔している、
   濾過装置。

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