JP2019046740A - Coating device - Google Patents

Coating device Download PDF

Info

Publication number
JP2019046740A
JP2019046740A JP2017171255A JP2017171255A JP2019046740A JP 2019046740 A JP2019046740 A JP 2019046740A JP 2017171255 A JP2017171255 A JP 2017171255A JP 2017171255 A JP2017171255 A JP 2017171255A JP 2019046740 A JP2019046740 A JP 2019046740A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
web
die head
catalyst ink
catalyst
coating thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017171255A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6926855B2 (en
Inventor
加藤 大典
Daisuke Kato
大典 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2017171255A priority Critical patent/JP6926855B2/en
Publication of JP2019046740A publication Critical patent/JP2019046740A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6926855B2 publication Critical patent/JP6926855B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Coating Apparatus (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

To provide a coating device capable of suppressing variation in coating thickness of a catalyst ink and suppressing deterioration in yield.SOLUTION: The coating thickness of a catalyst ink 6a on a web 60 is estimated in real time from the shear stress detected by a strain gauge 57 provided on the web 60 side of a downstream lip head portion 56b of a die head 56, the transport speed of the web 60 to the die head 56, and the viscosity of the catalyst ink 6a, and a relative distance between the downstream lip head portion 56b of the die head 56 and the web 60 (that is, application clearance) is adjusted based on the estimated coating thickness.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、燃料電池用電極を構成する触媒インクをウェブに塗工する塗工装置に関する。   The present invention relates to a coating apparatus that coats a web with a catalyst ink that constitutes a fuel cell electrode.

例えば、固体高分子型燃料電池のセル(燃料電池セルや単セル、単電池ということもある)は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(電極層)およびカソード側触媒層(電極層)とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が形成されている。GDLが両側に配置されたMEAは、MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称され、MEGAは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、MEGAが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、MEAが燃料電池の発電部となる。   For example, a cell of a polymer electrolyte fuel cell (sometimes referred to as a fuel cell, a single cell, or a single cell) includes an ion permeable electrolyte membrane, an anode catalyst layer (electrode layer) sandwiching the electrolyte membrane, and A membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) comprising a cathode side catalyst layer (electrode layer) is provided. On both sides of the MEA, a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer) is formed to provide fuel gas or oxidant gas and to collect electricity generated by the electrochemical reaction. The MEA in which GDLs are arranged on both sides is referred to as MEGA (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly), and the MEGA is sandwiched by a pair of separators. Here, the MEGA is a power generation unit of the fuel cell, and when there is no gas diffusion layer, the MEA is a power generation unit of the fuel cell.

膜電極接合体(MEA)を構成するアノード側触媒層(電極層)およびカソード側触媒層(電極層)は、電気化学反応を進行する触媒金属を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備え、触媒金属として、例えば、白金(Pt)や、白金(Pt)とルテニウム(Ru)などの他の金属とから成る白金合金が用いられる。このアノード側触媒層(電極層)およびカソード側触媒層(電極層)は、通常、触媒金属を担持したカーボン粒子や高分子電解質を分散させた触媒インクを電解質膜の面上に塗布する方法、転写フィルム上に触媒層を形成した後に、この触媒層を電解質膜の面上に圧着等により転写する方法等により形成される。   The anode-side catalyst layer (electrode layer) and the cathode-side catalyst layer (electrode layer) constituting the membrane electrode assembly (MEA) have carbon particles supporting a catalyst metal that proceeds with an electrochemical reaction, and proton conductivity. For example, platinum (Pt) or a platinum alloy composed of platinum (Pt) and another metal such as ruthenium (Ru) is used as a catalyst metal. The anode side catalyst layer (electrode layer) and the cathode side catalyst layer (electrode layer) are usually coated on the surface of the electrolyte membrane with a catalyst ink in which carbon particles carrying a catalyst metal or a polymer electrolyte is dispersed. After the catalyst layer is formed on the transfer film, the catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane by pressure transfer or the like.

特開2014−079669号公報JP, 2014-079669, A 特開2017−054580号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2017-054580

ところで、燃料電池用電極の構成部材である触媒層のPt目付(単位面積当たりのPt重量)は、当該燃料電池の発電性能に直結する重要な特性であるが、加工(塗工)中のウェブ(基材としての電解質膜や転写フィルム等)の厚さばらつき等によって、触媒インクの塗工厚がばらつき、Pt目付の規格外れが発生して、歩留まりが悪化するおそれがある。   By the way, the Pt basis weight (Pt weight per unit area) of the catalyst layer, which is a component member of a fuel cell electrode, is an important characteristic directly linked to the power generation performance of the fuel cell, but the web during processing (coating) The coating thickness of the catalyst ink varies due to the thickness variation of the electrolyte membrane or the transfer film as a base material, etc., and there is a possibility that the deviation of the standard of Pt basis weight occurs and the yield is deteriorated.

また、通常は、前記した触媒層のPt目付を保証するために、触媒層製造工程において、触媒層の塗布・乾燥後の膜厚を抜取検査で測定している。詳しくは、図6に示すように、基材としてのウェブがロール状に巻かれた巻出しロールから前記ウェブを巻き出すとともに、触媒層を形成する触媒インクをダイヘッドから吐出し、搬送ローラによって連続搬送されたウェブの表面に前記触媒インクを塗り付けた後に乾燥させて触媒層を形成する。その後、触媒層形成後のウェブを巻取りロールに巻き取り、ロール毎に加工完了後、形成された触媒層の一部をロールから抜き取って当該触媒層のDRY膜厚(Pt目付)を測定・検査している。   Also, in order to guarantee the Pt weight per unit area of the catalyst layer described above, usually, the film thickness after coating and drying of the catalyst layer is measured by a sampling inspection in the catalyst layer manufacturing process. Specifically, as shown in FIG. 6, the web as a substrate is unrolled from the unwinding roll, and the catalyst ink for forming the catalyst layer is discharged from the die head, and is continuously carried out by the conveying roller. The catalyst ink is applied to the surface of the transported web and then dried to form a catalyst layer. Then, the web after catalyst layer formation is taken up on a take-up roll, and after processing is completed for each roll, a part of the formed catalyst layer is pulled out from the roll and the DRY film thickness (Pt weight) of the catalyst layer is measured I am examining it.

そのため、上記のような従来の抜取検査では、前記ロール毎の抜取検査において検査結果がNG(Pt目付規格外れ)となった場合、ロール全体を廃棄せざるを得ず、歩留まりが更に悪化する可能性があった。   Therefore, in the conventional sampling inspection as described above, when the inspection result in the sampling inspection for each roll is NG (Pt weight deviation standard deviation), the entire roll must be discarded, and the yield may be further deteriorated. There was a sex.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒インクの塗工厚のばらつきを抑制し、歩留まりの悪化を抑えることのできる塗工装置を提供することにある。   This invention is made in view of the said subject, and the place made as the objective is providing the coating apparatus which can suppress the dispersion | variation in the coating thickness of a catalyst ink, and can suppress the deterioration of a yield. is there.

前記課題を解決すべく、本発明による塗工装置は、燃料電池用電極を構成する触媒インクをダイヘッドからウェブに対して吐出して塗工する塗工装置であって、前記ダイヘッドの下流側リップヘッド部の前記ウェブ側に歪検出装置が備えられ、前記歪検出装置によって検出された剪断応力と、前記ダイヘッドに対する前記ウェブの搬送速度と、前記触媒インクの粘度とから、前記ウェブに対する前記触媒インクの塗工厚を推定し、推定された塗工厚に基づいて前記ダイヘッドの下流側リップヘッド部と前記ウェブとの相対距離を調整することを特徴としている。   In order to solve the above-mentioned subject, a coating device by the present invention is a coating device which discharges a catalyst ink which constitutes a fuel cell electrode to a web from a die head, and coats it, and the downstream side lip of the die head A strain detection device is provided on the web side of a head unit, and the catalyst ink to the web is obtained from the shear stress detected by the strain detection device, the transport speed of the web to the die head, and the viscosity of the catalyst ink The coating thickness of the die head is estimated, and the relative distance between the downstream lip head portion of the die head and the web is adjusted based on the estimated coating thickness.

本発明によれば、ダイヘッドの下流側リップヘッド部のウェブ側に備えられた歪検出装置によって検出された剪断応力と、ダイヘッドに対するウェブの搬送速度と、触媒インクの粘度とから、ウェブに対する触媒インクの塗工厚をリアルタイムに推定し、推定された塗工厚に基づいてダイヘッドの下流側リップヘッド部とウェブとの相対距離(つまり、ダイヘッドの下流側リップヘッド部とウェブ表面との距離である塗布クリアランス)を調整することで、ウェブの厚さばらつき等に起因する触媒インクの塗工厚のばらつきを抑制し、Pt目付の規格外れを未然に防止して、歩留まりの悪化を抑えることができる。   According to the present invention, the catalyst ink for the web is obtained from the shear stress detected by the strain detection device provided on the web side of the downstream lip head portion of the die head, the transport speed of the web to the die head, and the viscosity of the catalyst ink. Of the coating thickness of the die head in real time, and based on the estimated coating thickness, the relative distance between the downstream lip head portion of the die head and the web (that is, the distance between the downstream lip head portion of the die head and the web surface) By adjusting the application clearance, it is possible to suppress the variation of the coating thickness of the catalyst ink due to the variation of the thickness of the web, etc., prevent the deviation of the standard of the Pt basis weight beforehand, and suppress the deterioration of the yield. .

燃料電池スタックの要部断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of main parts of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの製造工程における触媒層製造工程の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of the catalyst layer manufacturing process in the manufacturing process of a fuel cell stack. (A)は、触媒層製造工程で用いられるダイヘッドの要部を拡大して示す要部拡大断面図、(B)は、(A)のU−U矢視線に従う断面図である。(A) is a principal part expanded sectional view which expands and shows the principal part of the die head used at a catalyst layer manufacturing process, (B) is a sectional view according to the UU arrow line of (A). 触媒層製造工程で用いられるダイヘッドの他例の要部を拡大して示す要部拡大断面図。The principal part expanded sectional view which expands and shows the principal part of other examples of the die head used at a catalyst layer manufacturing process. 触媒層製造工程で用いられる制御装置による制御処理の概略を示すフロー図である。It is a flow figure showing an outline of control processing by a control device used at a catalyst bed manufacturing process. 従来の燃料電池スタックの製造工程における触媒層製造工程の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of the catalyst layer manufacturing process in the manufacturing process of the conventional fuel cell stack.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings. The following description exemplifies a case where the present invention is applied to a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or a fuel cell system including the same as an example, but the scope of application is not limited to such an example. .

[燃料電池スタックの構成]
まず、図1を参照して、本発明の適用対象となる燃料電池スタック(燃料電池)として固体高分子型燃料電池を例にとってその構成を概説する。
[Fuel cell stack configuration]
First, referring to FIG. 1, the structure of a polymer electrolyte fuel cell will be outlined as an example of a fuel cell stack (fuel cell) to which the present invention is applied.

図1は、燃料電池スタック(燃料電池)10の要部を断面視した図である。図1に示すように、燃料電池スタック10には、基本単位であるセル(単電池)1が複数積層されている(セル積層体9)。各セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル1は、MEGA2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により、挟持されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of a fuel cell stack (fuel cell) 10. As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, a plurality of cells (unit cells) 1 as a basic unit are stacked (cell stack 9). Each cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of an oxidant gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen). The cell 1 includes the MEGA 2 and a separator 3 in contact with the MEGA 2 so as to partition the MEGA 2. In the present embodiment, the MEGA 2 is sandwiched by the pair of separators 3, 3.

MEGA2は、膜電極接合体(MEA)4と、この両面に配置されたガス拡散層(GDL)7、7とが、一体化されたものである。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極6、6と、からなる。電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極6は、たとえば、白金(Pt)などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜5の一方側に配置された電極(アノード側触媒層(電極層))6がアノードとなり、他方側の電極(カソード側触媒層(電極層))6がカソードとなる。ガス拡散層7は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。   MEGA 2 is one in which a membrane electrode assembly (MEA) 4 and gas diffusion layers (GDL) 7 and 7 disposed on both sides thereof are integrated. The membrane electrode assembly 4 includes an electrolyte membrane 5 and a pair of electrodes 6 and 6 joined so as to sandwich the electrolyte membrane 5. The electrolyte membrane 5 is formed of a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, and the electrode 6 is formed of, for example, a porous carbon material supporting a catalyst such as platinum (Pt). The electrode (anode catalyst layer (electrode layer)) 6 disposed on one side of the electrolyte membrane 5 is an anode, and the other electrode (cathode catalyst layer (electrode layer)) 6 is a cathode. The gas diffusion layer 7 is formed of a conductive member having gas permeability such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or a foam metal.

本実施形態では、MEGA2が、燃料電池10の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のガス拡散層7に接触している。また、ガス拡散層7が省略されている場合には、膜電極接合体4が発電部であり、この場合には、セパレータ3は、膜電極接合体4に接触している。したがって、燃料電池10の発電部は、膜電極接合体4を含むものであり、セパレータ3に接触する。   In the present embodiment, the MEGA 2 is a power generation unit of the fuel cell 10, and the separator 3 is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2. When the gas diffusion layer 7 is omitted, the membrane electrode assembly 4 is a power generation unit, and in this case, the separator 3 is in contact with the membrane electrode assembly 4. Therefore, the power generation unit of the fuel cell 10 includes the membrane electrode assembly 4 and is in contact with the separator 3.

セパレータ3は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がMEGA2のガス拡散層7と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。   The separator 3 is a plate-like member whose base material is a metal excellent in conductivity, gas impermeability, etc., and one of the separators is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2 and the other separator is adjacent. 3 is in contact with the other side.

本実施形態では、各セパレータ3は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触している。   In the present embodiment, each separator 3 is formed in a wave shape or a concavo-convex shape. The shape of the separator 3 is in the shape of an isosceles trapezoid, and the top of the wave is flat, and both ends of the top are angular at equal angles. That is, the respective separators 3 have substantially the same shape as viewed from the front side or viewed from the back side. The top of the separator 3 is in surface contact with one gas diffusion layer 7 of the MEGA 2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of the MEGA 2.

一方の電極(すなわちアノード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極(すなわちカソード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。   A gas passage 21 defined between the gas diffusion layer 7 on one electrode (i.e., anode) 6 side and the separator 3 is a passage through which fuel gas flows, and the other electrode (i.e., cathode) 6 side The gas flow path 22 defined between the gas diffusion layer 7 and the separator 3 is a flow path through which the oxidant gas flows. When the fuel gas is supplied to one of the opposing gas flow paths 21 via the cell 1 and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the cell 1 to generate an electromotive force.

さらに、あるセル1と、それに隣接するもうひとつのセル1とは、アノードとなる電極6とカソードとなる電極6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もうひとつのセル1のカソードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間23には、セル1を冷却する冷媒としての水が流通する。   Further, one cell 1 and another cell 1 adjacent thereto are disposed such that the electrode 6 serving as the anode and the electrode 6 serving as the cathode face each other. Also, the top of the back side of the separator 3 disposed along the electrode 6 serving as the anode of one cell 1 and the top of the back side of the separator 3 disposed along the electrode 6 serving as the cathode of another cell 1 And are in surface contact. Water as a refrigerant for cooling the cells 1 flows in a space 23 defined between the separators 3 and 3 in surface contact between two adjacent cells 1.

[触媒層製造工程]
次に、図2〜図5を参照して、燃料電池スタックの製造工程、特に、そのうちのアノード側ないしカソード側の触媒層製造工程、並びに、触媒層製造工程で用いられる触媒インクの塗工装置の構成を説明する。
[Catalyst layer production process]
Next, referring to FIG. 2 to FIG. 5, the manufacturing process of the fuel cell stack, in particular, the catalyst layer manufacturing process of the anode side to the cathode side thereof, and the coating apparatus of the catalyst ink used in the catalyst layer manufacturing process. The structure of

図2は、燃料電池スタックの製造工程における触媒層製造工程の概略を示すフロー図である。   FIG. 2 is a flow diagram schematically showing a catalyst layer manufacturing process in the manufacturing process of the fuel cell stack.

前記したように、膜電極接合体(MEA)4を構成するアノード側触媒層(電極層)6およびカソード側触媒層(電極層)6は、電気化学反応を進行する触媒金属を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。触媒金属としては、例えば、白金(Pt)や、白金(Pt)とルテニウム(Ru)などの他の金属とから成る白金合金が用いられる。このアノード側触媒層(電極層)6およびカソード側触媒層(電極層)6は、触媒金属を担持したカーボン粒子や高分子電解質を分散させた触媒インクを電解質膜5の面上に塗布する方法、転写フィルム上に触媒層6を形成した後に、この触媒層6を電解質膜5の面上に圧着等により転写する方法、あるいは、触媒インクをガス拡散層7の面上に塗布する方法等により形成される。   As described above, the anode-side catalyst layer (electrode layer) 6 and the cathode-side catalyst layer (electrode layer) 6 constituting the membrane electrode assembly (MEA) 4 are carbon particles that carry a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction. And a polymer electrolyte having proton conductivity. As a catalyst metal, for example, platinum (Pt) or a platinum alloy composed of platinum (Pt) and another metal such as ruthenium (Ru) is used. The anode side catalyst layer (electrode layer) 6 and the cathode side catalyst layer (electrode layer) 6 are coated on the surface of the electrolyte membrane 5 with a catalyst ink in which carbon particles carrying a catalyst metal and a polymer electrolyte are dispersed. After the catalyst layer 6 is formed on the transfer film, the catalyst layer 6 is transferred onto the surface of the electrolyte membrane 5 by pressure bonding or the catalyst ink is coated on the surface of the gas diffusion layer 7 or the like. It is formed.

本実施形態において、前記したアノード側触媒層(電極層)6およびカソード側触媒層(電極層)6は、歪検出装置としての歪ゲージ57が設置されたダイヘッド56、ダイヘッド56に付設された移動装置としてのサーボモータ58(の駆動状態)を制御してダイヘッド56の(ウェブ60に対する)前進・後退を制御する制御装置59等を備える塗工装置50を使用し、触媒層厚さ(詳しくは、触媒層6を形成する触媒インク6aの塗工直後のWET膜厚(塗工厚))をリアルタイムに調整しながら作製される。   In the present embodiment, the anode side catalyst layer (electrode layer) 6 and the cathode side catalyst layer (electrode layer) 6 are attached to a die head 56 on which a strain gauge 57 as a strain detection device is installed and a die head 56 Using a coating device 50 provided with a control device 59 or the like that controls (the driving state of) the servomotor 58 as a device to control the advance / retraction (with respect to the web 60) of the die head 56 The film thickness (coating thickness) immediately after the application of the catalyst ink 6a that forms the catalyst layer 6 is manufactured while adjusting in real time.

詳細には、図2に示すように、基材としてのウェブ60(電解質膜5、転写フィルム、ガス拡散層7等)がロール状に巻かれた巻出しロール51aから前記ウェブ60を巻き出すとともに、タンク55に貯留されたペースト状の触媒インク6aをポンプ54を介してダイヘッド56(のスリット状の吐出口56a)から吐出し、複数の搬送ローラ53によって連続搬送されてバックロール52上を通過するウェブ60の表面に前記触媒インク6aを塗り付ける。   Specifically, as shown in FIG. 2, the web 60 (electrolyte film 5, transfer film, gas diffusion layer 7 etc.) as a substrate is unrolled from the unwinding roll 51a wound in a roll shape. The paste-like catalyst ink 6a stored in the tank 55 is discharged from (the slit-like discharge port 56a of) the die head 56 through the pump 54, continuously transported by the plurality of transport rollers 53, and passed over the back roll 52. The catalyst ink 6 a is applied to the surface of the web 60.

なお、巻出しロール51aの回転速度、搬送ローラ53の回転速度(つまり、ウェブ60の搬送速度)、ダイヘッド56(の吐出口56a)からの触媒インク6aの吐出流量(タンク55からの送出量やポンプ54の圧力等を含む)、後述する巻取りロール51bの回転速度等は、塗工装置50に備えられた制御装置59等により制御されている。   The rotational speed of the unwinding roll 51a, the rotational speed of the transport roller 53 (that is, the transport speed of the web 60), the discharge flow rate of catalyst ink 6a from the die head 56 (the discharge port 56a thereof) The pressure of the pump 54 and the like, the rotational speed of the take-up roll 51b described later, and the like are controlled by the control device 59 and the like provided in the coating device 50.

ここで、本実施形態においては、図3(A)、(B)に示されるように、ダイヘッド56の吐出口56aより下流側に位置する下流側リップヘッド部(触媒インク6aの塗工厚(=塗布クリアランス)を規定する部分)56bのウェブ60側に歪ゲージ57が埋設されている。   Here, in the present embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, the downstream lip head portion (the coating thickness of the catalyst ink 6a (the coating thickness of the catalyst ink 6a is positioned downstream of the discharge port 56a of the die head 56). (A part defining the application clearance)) a strain gauge 57 is embedded on the web 60 side of 56b.

なお、本例では、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bの内側に、歪ゲージ57が設けられているが、例えば、脱着性ないし交換性等を考慮して、図4に示すように、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bの後方(下流側)に、歪ゲージ57を配置してもよいことは勿論である。   In the present embodiment, the strain gauge 57 is provided inside the downstream lip head portion 56b of the die head 56. However, for example, as shown in FIG. Of course, the strain gauge 57 may be disposed at the rear (downstream side) of the downstream side lip head 56 b of 56.

前記制御装置59は、中央処理装置(CPU)、記憶装置等を備えたマイクロコンピュータによって構成されており、前記のように、ダイヘッド56から触媒インク6aを吐出してウェブ60に塗工しつつ、前記ダイヘッド56に設けられた歪ゲージ57によって検出される情報(検出値)を取得して、図5に示される制御処理を実行する。   The control device 59 is constituted by a microcomputer provided with a central processing unit (CPU), a storage device and the like, and as described above, the catalyst ink 6a is discharged from the die head 56 and coated on the web 60. The information (detection value) detected by the strain gauge 57 provided in the die head 56 is acquired, and the control process shown in FIG. 5 is executed.

すなわち、前記制御装置59は、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bとウェブ60間を流れる触媒インク6aは「平行板の間に挟まれた流体」と近似できるという考えに基づき、前記歪ゲージ57によって取得される剪断応力(τ)と、ダイヘッド56に対するウェブ60の搬送速度(δu)(剪断速度に相当)と、触媒インク6aの粘性係数(粘度)(μ)とから、以下のニュートン・ストークスの式(1)を用いて、ウェブ60に対する触媒インク6aの塗工厚(δy)を算出(推定)する(S51)。

Figure 2019046740
That is, the control device 59 is acquired by the strain gauge 57 based on the idea that the catalyst ink 6a flowing between the downstream lip head 56b of the die head 56 and the web 60 can be approximated as "a fluid sandwiched between parallel plates". From the shear stress (τ) to be transferred, the transport speed of the web 60 to the die head 56 (δu) (corresponding to the shear rate), and the viscosity coefficient (viscosity) (μ) of the catalyst ink 6a, The coating thickness (δy) of the catalyst ink 6a on the web 60 is calculated (estimated) using (1) (S51).
Figure 2019046740

また、前記制御装置59は、S51で算出された塗工厚と、予め決められた基準値(基準範囲)とを比較し(S52)、S51で算出された塗工厚が基準値より大きい場合は、ダイヘッド56に設けられたサーボモータ58を作動させ、ダイヘッド56をウェブ60に対して前進させ、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bとバックロール52上を通過するウェブ60との相対距離(つまり、塗布クリアランス)を狭くして、ウェブ60に対する触媒インク6aの塗工厚を薄くする(S53)。一方、S51で算出された塗工厚が基準値より小さい場合は、ダイヘッド56に設けられたサーボモータ58を作動させ、ダイヘッド56をウェブ60に対して後退させ、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bとバックロール52上を通過するウェブ60との相対距離(つまり、塗布クリアランス)を広くして、ウェブ60に対する触媒インク6aの塗工厚を厚くする(S54)。   Further, the control device 59 compares the coating thickness calculated in S51 with a predetermined reference value (reference range) (S52), and the coating thickness calculated in S51 is larger than the reference value Operates the servomotor 58 provided on the die head 56 to advance the die head 56 relative to the web 60, and the relative distance between the downstream lip head portion 56 b of the die head 56 and the web 60 passing over the back roll 52 ( That is, the application clearance is narrowed to reduce the coating thickness of the catalyst ink 6a on the web 60 (S53). On the other hand, when the coating thickness calculated in S51 is smaller than the reference value, the servomotor 58 provided on the die head 56 is operated to retract the die head 56 relative to the web 60, and the downstream lip head portion of the die head 56 The relative distance (that is, the application clearance) between the web 56 passing over the back roll 52 and the web 56 b is increased, and the coating thickness of the catalyst ink 6 a on the web 60 is increased (S 54).

このように、前記制御装置59は、ダイヘッド56の吐出口56aより下流側に設置された歪ゲージ57から得られる情報を利用し、ウェブ60に対する触媒インク6aの塗工直後のWET膜厚(塗工厚)をリアルタイムに算出(推定)し、塗工条件(塗布クリアランスや触媒インク6aの吐出流量)にフィードバック(詳しくは、塗布クリアランスを自動調整)することで、所望の厚さ(例えば、基準範囲以内の一定厚さ)の触媒インク6aをウェブ60表面に塗工することができる。   As described above, the control device 59 uses the information obtained from the strain gauges 57 installed on the downstream side of the discharge port 56 a of the die head 56, and the WET film thickness immediately after the application of the catalyst ink 6 a to the web 60 (coating Desired thickness (for example, standard) by calculating (estimating) the thickness in real time and applying feedback to coating conditions (coating clearance and discharge flow rate of catalyst ink 6a) (specifically, automatically adjusting coating clearance) The catalyst ink 6 a can be coated on the surface of the web 60 at a constant thickness within the range.

次いで、図2に示すように、所望の厚さの触媒インク6aを塗工したウェブ60を乾燥炉49に連続的に搬送し、当該乾燥炉49にて前記ウェブ60の表面上の触媒インク6aを乾燥させて、触媒層6を形成し、その後、触媒層6形成後のウェブ60を巻取りロール51bに巻き取る。これにより、前記したアノード側触媒層(電極層)6およびカソード側触媒層(電極層)6が作製されることになる。   Next, as shown in FIG. 2, the web 60 coated with the catalyst ink 6 a having a desired thickness is continuously transported to the drying furnace 49, and the catalyst ink 6 a on the surface of the web 60 is dried by the drying furnace 49. Is dried to form a catalyst layer 6, and then the web 60 after forming the catalyst layer 6 is wound on a take-up roll 51b. As a result, the above-mentioned anode catalyst layer (electrode layer) 6 and cathode catalyst layer (electrode layer) 6 are produced.

以上で説明したように、本実施形態では、ダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bのウェブ60側に備えられた歪ゲージ57によって検出された剪断応力と、ダイヘッド56に対するウェブ60の搬送速度と、触媒インク6aの粘度とから、ウェブ60に対する触媒インク6aの塗工厚をリアルタイムに推定し、推定された塗工厚に基づいてダイヘッド56の下流側リップヘッド部56bとウェブ60との相対距離(つまり、塗布クリアランス)を調整することで、ウェブ60の厚さばらつき等に起因する触媒インク6aの塗工厚のばらつきを抑制し、Pt目付の規格外れを未然に防止して、歩留まりの悪化を抑えることができる。   As described above, in the present embodiment, the shear stress detected by the strain gauge 57 provided on the web 60 side of the downstream lip head portion 56 b of the die head 56, and the transport speed of the web 60 with respect to the die head 56 The coating thickness of the catalyst ink 6a on the web 60 is estimated in real time from the viscosity of the catalyst ink 6a, and the relative distance between the downstream lip head 56b of the die head 56 and the web 60 based on the estimated coating thickness That is, by adjusting the application clearance), the variation in the coating thickness of the catalyst ink 6a caused by the thickness variation of the web 60 and the like is suppressed, and the deviation of the Pt basis weight is prevented in advance, thereby deteriorating the yield. It can be suppressed.

また、本実施形態では、触媒層厚さをリアルタイムに調整することで、従来のような抜取検査が不要となるため、工程リードタイムの短縮に繋がるといった利点もある。   Further, in the present embodiment, adjusting the thickness of the catalyst layer in real time eliminates the need for a conventional inspection for removal, and thus has the advantage of shortening the process lead time.

なお、上記実施形態では、制御装置59によってダイヘッド56に設けられたサーボモータ58を制御し、ダイヘッド56をウェブ60に対して前進または後退させることで、塗布クリアランスを自動調整しているが、バックロール52上に搬送されてくるウェブ60側をダイヘッド56に対して可動してもよいし、ダイヘッド56とウェブ60との双方を可動するようにしてよいことは詳述するまでも無い。   In the above embodiment, the application clearance is automatically adjusted by controlling the servomotor 58 provided on the die head 56 by the control device 59 and advancing or retracting the die head 56 with respect to the web 60. The side of the web 60 transported onto the roll 52 may be moved relative to the die head 56, and it is needless to say that the die head 56 and the web 60 may both be moved.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like within the scope of the present invention. Also, they are included in the present invention.

1…セル(燃料電池セル)、2…MEGA、3…セパレータ、4…膜電極接合体(MEA)、5…電解質膜、6…電極(アノード側触媒層(電極層)、カソード側触媒層(電極層))、6a…触媒インク、7…ガス拡散層(GDL)、9…セル積層体、10…燃料電池スタック(燃料電池)、21、22…ガス流路、23…水が流通する空間、49…乾燥炉、50…塗工装置、51a…巻出しロール、51b…巻取りロール、52…バックロール、53…搬送ローラ、54…ポンプ、55…タンク、56…ダイヘッド、56a…吐出口、56b…下流側リップヘッド部、57…歪ゲージ(歪検出装置)、58…サーボモータ(移動装置)、59…制御装置、60…ウェブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... cell (fuel cell), 2 ... MEGA, 3 ... separator, 4 ... membrane electrode assembly (MEA), 5 ... electrolyte membrane, 6 ... electrode (anode side catalyst layer (electrode layer), cathode side catalyst layer ( Electrode layer)) 6a catalyst ink 7 gas diffusion layer (GDL) 9 cell stack 10 fuel cell stack (fuel cell) 21 22 gas flow path 23 space in which water flows , 49: drying oven, 50: coating device, 51a: unwinding roll, 51b: winding roll, 52: back roll, 53: conveying roller, 54: pump, 55: tank, 56: die head, 56a: discharge port 56b: downstream lip head portion 57: strain gauge (strain detection device) 58: servomotor (moving device) 59: control device 60: web

Claims (1)

燃料電池用電極を構成する触媒インクをダイヘッドからウェブに対して吐出して塗工する塗工装置であって、
前記ダイヘッドの下流側リップヘッド部の前記ウェブ側に歪検出装置が備えられ、
前記歪検出装置によって検出された剪断応力と、前記ダイヘッドに対する前記ウェブの搬送速度と、前記触媒インクの粘度とから、前記ウェブに対する前記触媒インクの塗工厚を推定し、推定された塗工厚に基づいて前記ダイヘッドの下流側リップヘッド部と前記ウェブとの相対距離を調整する、塗工装置。
It is a coating apparatus which discharges the catalyst ink which comprises the electrode for fuel cells from a die head with respect to a web, and coats,
A strain detection device is provided on the web side of the downstream lip head portion of the die head;
The coating thickness of the catalyst ink on the web is estimated from the shear stress detected by the strain detection device, the transport speed of the web to the die head, and the viscosity of the catalyst ink, and the coating thickness estimated The coating apparatus which adjusts the relative distance of the downstream lip head part of the said die head, and the said web based on (4).
JP2017171255A 2017-09-06 2017-09-06 Coating equipment Active JP6926855B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017171255A JP6926855B2 (en) 2017-09-06 2017-09-06 Coating equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017171255A JP6926855B2 (en) 2017-09-06 2017-09-06 Coating equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019046740A true JP2019046740A (en) 2019-03-22
JP6926855B2 JP6926855B2 (en) 2021-08-25

Family

ID=65814638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017171255A Active JP6926855B2 (en) 2017-09-06 2017-09-06 Coating equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6926855B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7521210B2 (en) 2020-03-17 2024-07-24 東レ株式会社 Continuous coating device and method for manufacturing gas diffusion electrode using the same
JP7521209B2 (en) 2020-03-17 2024-07-24 東レ株式会社 Continuous coating device and method for manufacturing gas diffusion electrode using the same

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0330871A (en) * 1989-06-27 1991-02-08 Taiyo Seiko Kk Method for coating molten zinc plated steel strip
JPH06262117A (en) * 1993-03-12 1994-09-20 Sumitomo Metal Ind Ltd Nozzle coater type coating device
JP2006095455A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Fuji Photo Film Co Ltd Coating method and coating apparatus for coating liquid
JP2006112003A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 V-Tech Corp Method for producing vinyl chloride-based wallpaper
JP2016030253A (en) * 2014-07-30 2016-03-07 株式会社ヒラノテクシード Coating device
JP2016067974A (en) * 2014-09-26 2016-05-09 株式会社Screenホールディングス Coating applicator and coating method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0330871A (en) * 1989-06-27 1991-02-08 Taiyo Seiko Kk Method for coating molten zinc plated steel strip
JPH06262117A (en) * 1993-03-12 1994-09-20 Sumitomo Metal Ind Ltd Nozzle coater type coating device
JP2006095455A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Fuji Photo Film Co Ltd Coating method and coating apparatus for coating liquid
JP2006112003A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 V-Tech Corp Method for producing vinyl chloride-based wallpaper
JP2016030253A (en) * 2014-07-30 2016-03-07 株式会社ヒラノテクシード Coating device
JP2016067974A (en) * 2014-09-26 2016-05-09 株式会社Screenホールディングス Coating applicator and coating method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7521210B2 (en) 2020-03-17 2024-07-24 東レ株式会社 Continuous coating device and method for manufacturing gas diffusion electrode using the same
JP7521209B2 (en) 2020-03-17 2024-07-24 東レ株式会社 Continuous coating device and method for manufacturing gas diffusion electrode using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP6926855B2 (en) 2021-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2269257B1 (en) Fuel cell system and operating method of a fuel cell
JP4907882B2 (en) Composite electrolyte membrane, catalyst layer membrane assembly, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5122149B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
CA2958628C (en) Apparatus for manufacturing membrane electrode assembly
JP5936976B2 (en) Operation method of fuel cell
US20090208805A1 (en) Membrane/electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and process for its production
JP6352727B2 (en) Membrane / catalyst layer assembly manufacturing apparatus and manufacturing method
KR20020032565A (en) Method for producing film electrode jointed product and method for producing solid polymer type fuel cell
JP2016046091A (en) Coater, coating method, device for manufacturing membrane-catalyst layer assembly and manufacturing method thereof
US7838170B2 (en) Membrane/electrode assembly with multilayered cathode catalyst for polymer electrolyte fuel cells
JP6869061B2 (en) Coating equipment and coating method
KR20180058571A (en) Component for fuel cell including graphene foam and functioning as flow field and gas diffusion layer
JP6926855B2 (en) Coating equipment
JP6916641B2 (en) Base material processing equipment and base material processing method
JP2015153653A (en) Electrolyte membrane modification device and electrolyte membrane modification method, and production system and production method of membrane/catalyst layer assembly
US11196071B2 (en) Method for manufacturing membrane electrode and gas diffusion layer assembly
JP2011146256A (en) Reinforcing membrane type electrolyte membrane
WO2013027501A1 (en) Control device and fuel cell system
JP2013225398A (en) Fuel cell stack
JP2018147890A (en) Manufacturing installation of membrane/catalyst layer assembly
JP5880356B2 (en) Fuel cell stack
JP5245440B2 (en) Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell
JP2015079639A (en) Electrolyte membrane/electrode structure
WO2012117525A1 (en) Fuel cell system
JP5765273B2 (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200117

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201216

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210202

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210706

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210719

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6926855

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151