JP2022075412A - 塗膜及びその製造方法、並びに、粉体塗工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】凝集体の少ない均一な塗面が得られる粉体塗工装置、並びに、これを用いて製造される塗膜及びその製造方法を提供すること。【解決手段】粉体塗工装置１０ａは、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕し、粉体１２ａを含むエアロゾル１４を発生させ、エアロゾル１４を基材１６の塗工面１６ａに向かって吐出するためのエアロゾル発生装置２０と、エアロゾル１４に含まれる粉体１２ａを誘導帯電させ、誘導帯電させた粉体１２ａを静電場により塗工面１６ａに塗着させ、塗膜１８を得るための静電場印加装置３０ａとを備えている。塗膜１８は、電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である。【選択図】図１
Description
本発明は、塗膜及びその製造方法、並びに、粉体塗工装置に関し、さらに詳しくは、主として、電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含む塗膜をドライプロセスにより製造するための粉体塗工装置、並びに、このような粉体塗工装置を用いて製造される塗膜及びその製造方法に関する。
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。通常、触媒層の外側には、さらにガス拡散層が配置される。触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質（触媒層アイオノマ）との複合体からなる。また、拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。
固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層は、一般に、
（ａ）電極触媒及びアイオノマを含み、固形分濃度が約１０％の触媒インクを作製し、
（ｂ）種々の方法を用いて、触媒インクを基材の表面に塗布し、塗膜中の溶媒を揮発させることにより基材表面に触媒層を形成し、
（ｃ）基材表面の触媒層を電解質膜に転写する
ことにより製造されている。
また、基材の代わりに固体高分子電解質膜に触媒インクを直接塗布する方法もある。
（ａ）電極触媒及びアイオノマを含み、固形分濃度が約１０％の触媒インクを作製し、
（ｂ）種々の方法を用いて、触媒インクを基材の表面に塗布し、塗膜中の溶媒を揮発させることにより基材表面に触媒層を形成し、
（ｃ）基材表面の触媒層を電解質膜に転写する
ことにより製造されている。
また、基材の代わりに固体高分子電解質膜に触媒インクを直接塗布する方法もある。
しかしながら、触媒インクを用いて触媒層を形成する方法は、
（ａ）溶媒を除去するための乾燥工程が必要であり、製造コストが高くなる、
（ｂ）溶媒として有機溶媒を用いた時には、安全性の問題が生ずる場合がある、
（ｃ）溶媒、及び、カーボンを分散させるために触媒インクに添加された界面活性剤が触媒層中に残存し、燃料電池の性能を低下させる場合がある、
などの問題がある。
（ａ）溶媒を除去するための乾燥工程が必要であり、製造コストが高くなる、
（ｂ）溶媒として有機溶媒を用いた時には、安全性の問題が生ずる場合がある、
（ｃ）溶媒、及び、カーボンを分散させるために触媒インクに添加された界面活性剤が触媒層中に残存し、燃料電池の性能を低下させる場合がある、
などの問題がある。
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に、静電的に帯電させた電極触媒粉末を付着させる燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
例えば、特許文献１には、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に、静電的に帯電させた電極触媒粉末を付着させる燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
同文献には、
（Ａ）このような方法は、完全なドライプロセスであるため、有機溶媒等による危険性が少ない点、
（Ｂ）形成した電極中の溶媒を乾燥させる乾燥工程が不要になる点、及び、
（Ｃ）印刷法に比べ電極塗膜の平滑性、緻密性は劣るが、逆に電極のガス拡散がより良くなる点
が記載されている。
（Ａ）このような方法は、完全なドライプロセスであるため、有機溶媒等による危険性が少ない点、
（Ｂ）形成した電極中の溶媒を乾燥させる乾燥工程が不要になる点、及び、
（Ｃ）印刷法に比べ電極塗膜の平滑性、緻密性は劣るが、逆に電極のガス拡散がより良くなる点
が記載されている。
特許文献２には、燃料電池用触媒層の製造装置ではないが、
上面に微粒子を載置可能な第１電極と、
第１電極と空間を介して設けられ、開口が形成された面状の第２電極と、
第１電極と第２電極の間に直流電圧又はオフセットされた交流電圧を印加する電源と
を備えた微粒子分散供給装置が開示されている。
上面に微粒子を載置可能な第１電極と、
第１電極と空間を介して設けられ、開口が形成された面状の第２電極と、
第１電極と第２電極の間に直流電圧又はオフセットされた交流電圧を印加する電源と
を備えた微粒子分散供給装置が開示されている。
同文献には、
（Ａ）第１電極の表面に微粒子が供給され、微粒子と第１電極とが接触すると、微粒子が第２電極と逆符号に帯電し、第２電極に引き寄せられる点、
（Ｂ）第２電極に引き寄せられた微粒子が第２電極と接触すると、微粒子が第２電極と同符号に帯電して第２電極と反発し、第２電極の開口部から系外に飛散する点、及び、
（Ｃ）このような装置により、微粒子を高度に分散した状態で供給できる点
が記載されている。
（Ａ）第１電極の表面に微粒子が供給され、微粒子と第１電極とが接触すると、微粒子が第２電極と逆符号に帯電し、第２電極に引き寄せられる点、
（Ｂ）第２電極に引き寄せられた微粒子が第２電極と接触すると、微粒子が第２電極と同符号に帯電して第２電極と反発し、第２電極の開口部から系外に飛散する点、及び、
（Ｃ）このような装置により、微粒子を高度に分散した状態で供給できる点
が記載されている。
さらに、特許文献３には、
（ａ）触媒粒子と電解質とを含む分散液をスプレードライすることにより、メジアン径が４～１５μｍである混合粒子を作製し、
（ｂ）静電スクリーン印刷法を用いて、帯電した混合粒子を電解質膜の表面に塗布することにより電極層を形成し、
（ｃ）形成した電極層を加熱及び加圧し、電解質膜上に定着させる
固体高分子形燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
（ａ）触媒粒子と電解質とを含む分散液をスプレードライすることにより、メジアン径が４～１５μｍである混合粒子を作製し、
（ｂ）静電スクリーン印刷法を用いて、帯電した混合粒子を電解質膜の表面に塗布することにより電極層を形成し、
（ｃ）形成した電極層を加熱及び加圧し、電解質膜上に定着させる
固体高分子形燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
同文献には、
（Ａ）このような方法により、ガス拡散性に優れた電極が得られる点、
（Ｂ）混合粒子が適度に電解質膜に食い込むため、電極と電解質膜との間のイオン伝導性が向上する点、及び
（Ｃ）加熱及び加圧を行うことにより、電極層を形成する混合粒子間、及び、電極層と電解質膜との間の接続がより強固になる点
が記載されている。
（Ａ）このような方法により、ガス拡散性に優れた電極が得られる点、
（Ｂ）混合粒子が適度に電解質膜に食い込むため、電極と電解質膜との間のイオン伝導性が向上する点、及び
（Ｃ）加熱及び加圧を行うことにより、電極層を形成する混合粒子間、及び、電極層と電解質膜との間の接続がより強固になる点
が記載されている。
粉体を帯電させ、静電力で目標物に塗着させる方法は、粉体塗装技術として一般に普及している。この粉体塗装技術を触媒層の製造に応用した場合、溶媒の乾燥工程が不要となるため、ウェットプロセスを用いた製造方法に比べて、製造エネルギー及び製造コストを低減することができる。また、これによってＣＯ2排出量の低減も期待できる。
しかしながら、燃料電池用の粉体は、粉体塗装に一般的に用いられている粉体に比べて非常に細かい。一般に、粉体の粒子径が１０μｍ以下になると、凝集力が大きくなり、単一粒子として存在しにくくなる。そのため、粉体塗装技術を固体高分子形燃料電池の電極製造方法として応用するためには、粉体の凝集を抑制するのが望ましい。
しかしながら、燃料電池用の粉体は、粉体塗装に一般的に用いられている粉体に比べて非常に細かい。一般に、粉体の粒子径が１０μｍ以下になると、凝集力が大きくなり、単一粒子として存在しにくくなる。そのため、粉体塗装技術を固体高分子形燃料電池の電極製造方法として応用するためには、粉体の凝集を抑制するのが望ましい。
この点に関し、特許文献１では、単に粉体をキャリアガス（Ｎ2）で搬送し、静電力で塗着しているだけであり、初期の粉体の分散が不十分である。そのため、特許文献１に記載の方法では、凝集体のない均一な塗面の形成は難しいと考えられる。
特許文献２に記載の方法も同様であり、第１電極－第２電極間の電界強度に応じて第２電極を通過する粉体の大きさをある程度制御することはできるが、凝集した粉体を解砕する作用は弱い。
特許文献２に記載の方法も同様であり、第１電極－第２電極間の電界強度に応じて第２電極を通過する粉体の大きさをある程度制御することはできるが、凝集した粉体を解砕する作用は弱い。
さらに、特許文献３に記載されているように、静電スクリーン印刷法を用いると、スクリーン上に供給された粉体をスキージ（特許文献３では、フィードローラ）で擦りつけることで、凝集した粉体をある程度解砕することができる。しかし、細かい粒子を塗工するためには、スクリーンの目を細かくする必要がある。その結果、粉体の塗工スピードが遅くなる。また、スクリーンの目詰まりや裏面への付着が生じやすくなる。一方、これを回避するためにスクリーンの目を粗くすると、未解砕の凝集した粉体まで塗工されてしまう。
本発明が解決しようとする課題は、凝集体の少ない均一な塗面が得られる粉体塗工装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、粉体の塗着効率が高く、製造エネルギーや製造コストを削減することが可能であり、これによってＣＯ2排出量を低減することが可能な粉体塗工装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような粉体塗工装置を用いて製造される塗膜及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池の触媒層として好適な塗膜及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、粉体の塗着効率が高く、製造エネルギーや製造コストを削減することが可能であり、これによってＣＯ2排出量を低減することが可能な粉体塗工装置を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような粉体塗工装置を用いて製造される塗膜及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池の触媒層として好適な塗膜及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る粉体塗工装置は、
粉体を解砕及び／又は粉砕し、前記粉体を含むエアロゾルを発生させ、前記エアロゾルを基材の塗工面に向かって吐出するためのエアロゾル発生装置と、
前記エアロゾルに含まれる前記粉体を誘導帯電させ、誘導帯電させた前記粉体を静電場により前記塗工面に塗着させ、塗膜を得るための静電場印加装置と
を備えている。
粉体を解砕及び／又は粉砕し、前記粉体を含むエアロゾルを発生させ、前記エアロゾルを基材の塗工面に向かって吐出するためのエアロゾル発生装置と、
前記エアロゾルに含まれる前記粉体を誘導帯電させ、誘導帯電させた前記粉体を静電場により前記塗工面に塗着させ、塗膜を得るための静電場印加装置と
を備えている。
本発明に係る塗膜の製造方法は、本発明に係る粉体塗工装置を用いて、前記基材の塗工面に前記粉体を塗工し、前記塗工面に塗膜を形成することを要旨とする。
さらに、本発明に係る塗膜は、
電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、
前記粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である
ことを要旨とする。
電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、
前記粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である
ことを要旨とする。
エアロゾル発生装置を用いて粉体（例えば、電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体）を解砕及び／又は粉砕すると同時に、エアロゾル発生装置に搬送ガスを供給すると、粉体と搬送ガスからなるエアロゾルが発生する。次いで、得られたエアロゾルを塗工面に向かって吐出し、静電場印加装置を用いてエアロゾルに含まれる粉体を誘導帯電させると、静電場により粉体が塗工面に向かって飛翔する。その結果、粉体が塗工面に塗着し、塗膜が得られる。
このような方法を用いると、凝集体のない均一な塗面を備えた塗膜が得られる。得られた塗膜は、ウエットプロセスで得られた塗膜に比べて表面粗さは大きいが、従来のドライプロセスで得られた塗膜に比べて表面粗さが格段に小さい。また、塗工面にエアロゾルを吐出する方法は、静電粉体塗装法に比べて塗着効率が高い。さらに、溶媒の乾燥工程が不要であるので、ウェットプロセスに比べて製造エネルギーや製造コストを削減することができる。
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 粉体塗工装置（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る粉体塗工装置の模式図を示す。図１において、粉体塗工装置１０ａは、エアロゾル発生装置２０と、静電場印加装置３０ａとを備えている。
［１． 粉体塗工装置（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る粉体塗工装置の模式図を示す。図１において、粉体塗工装置１０ａは、エアロゾル発生装置２０と、静電場印加装置３０ａとを備えている。
［１．１． エアロゾル発生装置］
エアロゾル発生装置２０は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕し、粉体１２ａを含むエアロゾル１４を発生させ、エアロゾル１４を基材１６の塗工面１６ａに向かって吐出するための装置である。エアロゾル発生装置２０の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１において、エアロゾル発生装置２０は、分散装置２２と、搬送ガス供給装置２４と、ノズル２６とを備えている。
エアロゾル発生装置２０は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕し、粉体１２ａを含むエアロゾル１４を発生させ、エアロゾル１４を基材１６の塗工面１６ａに向かって吐出するための装置である。エアロゾル発生装置２０の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１において、エアロゾル発生装置２０は、分散装置２２と、搬送ガス供給装置２４と、ノズル２６とを備えている。
［１．１．１． 分散装置］
分散装置２２は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕するための装置である。一般に、粉体１２ａの粒径が１０μｍ以下である場合、粉体１２ａは凝集して二次粒子を形成しやすくなる。分散装置２２は、凝集した粉体１２ａをほぐすことが可能なもの、及び／又は、粉体１２ａそのものをさらに細かく砕くことが可能なものであれば良い。
分散装置２２の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。分散装置２２としては、例えば、ミキサー、ミル、フードプロセッサなどがある。図１において、分散装置２２は、粉体１２ａを収容するための容器２２ａ内に、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕するための攪拌羽２２ｂが設けられたミキサーからなる。
分散装置２２は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕するための装置である。一般に、粉体１２ａの粒径が１０μｍ以下である場合、粉体１２ａは凝集して二次粒子を形成しやすくなる。分散装置２２は、凝集した粉体１２ａをほぐすことが可能なもの、及び／又は、粉体１２ａそのものをさらに細かく砕くことが可能なものであれば良い。
分散装置２２の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。分散装置２２としては、例えば、ミキサー、ミル、フードプロセッサなどがある。図１において、分散装置２２は、粉体１２ａを収容するための容器２２ａ内に、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕するための攪拌羽２２ｂが設けられたミキサーからなる。
なお、分散装置２２は、
（ａ）予め所定量の粉体１２ａを容器２２ａ内に収容しておき、粉体１２ａが枯渇するまでエアロゾルを発生させる方式（バッチ式）、あるいは、
（ｂ）粉体供給装置（図示せず）を用いて、容器２２ａ内に逐次、粉体１２ａを補給しながら、連続的にエアロゾルを発生させる方式（連続式）
のいずれであっても良い。
連続式の分散装置２２において、粉体供給装置の設置位置は特に限定されない。例えば、粉体供給装置は、分散装置２２本体に設置されていても良く、あるいは、搬送ガス供給装置２４のガス排出口と分散装置２２のガス供給口の間に設置されていても良い。
（ａ）予め所定量の粉体１２ａを容器２２ａ内に収容しておき、粉体１２ａが枯渇するまでエアロゾルを発生させる方式（バッチ式）、あるいは、
（ｂ）粉体供給装置（図示せず）を用いて、容器２２ａ内に逐次、粉体１２ａを補給しながら、連続的にエアロゾルを発生させる方式（連続式）
のいずれであっても良い。
連続式の分散装置２２において、粉体供給装置の設置位置は特に限定されない。例えば、粉体供給装置は、分散装置２２本体に設置されていても良く、あるいは、搬送ガス供給装置２４のガス排出口と分散装置２２のガス供給口の間に設置されていても良い。
［１．１．２． 搬送ガス供給装置］
搬送ガス供給装置２４は、分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを吹き込むための装置である。粉体１２ａの解砕処理及び／又は粉砕処理が行われている分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを供給すると、分散装置２２内において、粉体１２ａと搬送ガス１２ｂからなるエアロゾル１４が発生する。
搬送ガス供給装置２４は、分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを吹き込むための装置である。粉体１２ａの解砕処理及び／又は粉砕処理が行われている分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを供給すると、分散装置２２内において、粉体１２ａと搬送ガス１２ｂからなるエアロゾル１４が発生する。
搬送ガス１２ｂの種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なガスを選択することができる。搬送ガス１２ｂとしては、例えば、Ｎ2ガス、Ａｒガス、ＣＯ2ガス、空気などがある。
また、搬送ガス供給装置２４の構造は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。搬送ガス供給装置２４としては、例えば、Ｎ2ガスボンベ、コンプレッサーなどがある。搬送ガス供給装置２４は、マスフローコントローラー、ニードルバルブなどで流量を制御できるものがより好ましい。図１において、搬送ガス供給装置２４は、Ｎ2ガスボンベ（図示せず）と、ニードルバルブ（図示せず）からなる。
また、搬送ガス供給装置２４の構造は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。搬送ガス供給装置２４としては、例えば、Ｎ2ガスボンベ、コンプレッサーなどがある。搬送ガス供給装置２４は、マスフローコントローラー、ニードルバルブなどで流量を制御できるものがより好ましい。図１において、搬送ガス供給装置２４は、Ｎ2ガスボンベ（図示せず）と、ニードルバルブ（図示せず）からなる。
［１．１．３． ノズル］
ノズル２６は、分散装置２２内で発生させたエアロゾル１４を塗工面１６ａに向けて吐出するためのものである。ノズル２６から吐出されたエアロゾル１４は、静電場印加装置３０ａにより加速され、塗工面１６ａに向かって飛翔する。ノズル２６の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
ノズル２６は、分散装置２２内で発生させたエアロゾル１４を塗工面１６ａに向けて吐出するためのものである。ノズル２６から吐出されたエアロゾル１４は、静電場印加装置３０ａにより加速され、塗工面１６ａに向かって飛翔する。ノズル２６の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
［１．２． 静電場印加装置］
静電場印加装置３０ａは、エアロゾル１４に含まれる粉体１２ａを誘導帯電させ、誘導帯電させた粉体１２ａを静電場により塗工面１６ａに塗着させ、塗膜１８を得るための装置である。静電場印加装置３０ａの構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１において、静電場印加装置３０ａは、メッシュ３２と、接地装置３４と、高圧電源３６とを備えている。
静電場印加装置３０ａは、エアロゾル１４に含まれる粉体１２ａを誘導帯電させ、誘導帯電させた粉体１２ａを静電場により塗工面１６ａに塗着させ、塗膜１８を得るための装置である。静電場印加装置３０ａの構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１において、静電場印加装置３０ａは、メッシュ３２と、接地装置３４と、高圧電源３６とを備えている。
［１．２．１． メッシュ］
メッシュ３２は、ノズル２６－メッシュ３２間、及び、メッシュ３２－塗工面１６ａ間に電界を発生させ、粉体１２ａをノズル２６からメッシュ３２を通って塗工面１６ａに向かって飛翔させるためのものである。そのため、メッシュ３２の目開きは、少なくとも粉体１２ａを通過させることが可能な大きさを有している必要がある。メッシュ３２の構造に関するその他の点は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
メッシュ３２は、ノズル２６－メッシュ３２間、及び、メッシュ３２－塗工面１６ａ間に電界を発生させ、粉体１２ａをノズル２６からメッシュ３２を通って塗工面１６ａに向かって飛翔させるためのものである。そのため、メッシュ３２の目開きは、少なくとも粉体１２ａを通過させることが可能な大きさを有している必要がある。メッシュ３２の構造に関するその他の点は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
メッシュ３２は、ノズル２６の先端と塗工面１６ａとの間に配置される。ノズル２６の先端とメッシュ３２との間の間隔、及び、メッシュ３２と塗工面１６ａとの間の間隔は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な間隔を選択することができる。一般に、ノズル２６の先端とメッシュ３２との間隔が小さくなるほど、これらの間に発生する電界は大きくなる。この点は、メッシュ３２と塗工面１６ａとの間の間隔も同様である。
［１．２．２． 接地装置］
接地装置３４は、ノズル２６と塗工面１６ａをアースするためのものである。ノズル２６と塗工面１６ａとの間にメッシュ３２を配置し、ノズル２６と塗工面１６ａとをアースした状態でメッシュ３２に電圧を印加すると、ノズル２６－メッシュ３２間、及び、メッシュ３２－塗工面１６ａ間に電界を発生させることができる。接地装置３４の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
接地装置３４は、ノズル２６と塗工面１６ａをアースするためのものである。ノズル２６と塗工面１６ａとの間にメッシュ３２を配置し、ノズル２６と塗工面１６ａとをアースした状態でメッシュ３２に電圧を印加すると、ノズル２６－メッシュ３２間、及び、メッシュ３２－塗工面１６ａ間に電界を発生させることができる。接地装置３４の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
［１．２．３． 高圧電源］
高圧電源３６は、メッシュ３２に電圧を印加することによって、ノズル２６とメッシュと３２の間、及び、メッシュ３２と塗工面１６ａとの間に電界を発生させるためのものである。高圧電源３６により印加される電圧の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な電圧を選択することができる。また、高圧電源３６は、メッシュ３２に正電圧を印加するものでも良く、あるいは、負電圧を印加するものでも良い。
高圧電源３６は、メッシュ３２に電圧を印加することによって、ノズル２６とメッシュと３２の間、及び、メッシュ３２と塗工面１６ａとの間に電界を発生させるためのものである。高圧電源３６により印加される電圧の大きさは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な電圧を選択することができる。また、高圧電源３６は、メッシュ３２に正電圧を印加するものでも良く、あるいは、負電圧を印加するものでも良い。
［１．３． 適用対象］
［１．３．１． 粉体］
本発明が適用される粉体１２ａの種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。粉体１２ａとしては、例えば、
（ａ）触媒粒子、又は、表面に触媒粒子が担持された担体（以下、これらを総称して単に「電極触媒」ともいう）からなる粉体、
（ｂ）アイオノマからなる粉末、
（ｃ）電極触媒とアイオノマの混合物からなる粉体、
（ｄ）電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体からなる粉体、
（ｅ）カーボンブラック、カーボンシート、カーボンファイバー等の電子伝導性の粉体、
などがある。
［１．３．１． 粉体］
本発明が適用される粉体１２ａの種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。粉体１２ａとしては、例えば、
（ａ）触媒粒子、又は、表面に触媒粒子が担持された担体（以下、これらを総称して単に「電極触媒」ともいう）からなる粉体、
（ｂ）アイオノマからなる粉末、
（ｃ）電極触媒とアイオノマの混合物からなる粉体、
（ｄ）電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体からなる粉体、
（ｅ）カーボンブラック、カーボンシート、カーボンファイバー等の電子伝導性の粉体、
などがある。
粉体１２ａが電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体である場合、ドライプロセスを用いて燃料電池用の触媒層を形成することができる。
粉体１２ａは、特に、電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体が好ましい。これは、予めアイオノマーでコートすることで、触媒にプロトンが供給されやすくなるため、及び、アイオノマコート触媒同士が繋がることで、触媒層全体にプロトンが供給されやすくなるためである。
粉体１２ａは、特に、電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体が好ましい。これは、予めアイオノマーでコートすることで、触媒にプロトンが供給されやすくなるため、及び、アイオノマコート触媒同士が繋がることで、触媒層全体にプロトンが供給されやすくなるためである。
［１．３．２． 基材］
本発明が適用される基材１６の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。基材１６としては、例えば、
（ａ）固体高分子電解質からなる電解質膜、
（ｂ）塗膜１８を他の材料に転写するために、一時的に塗膜１８を載置するための樹脂シート（例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート）、
（ｃ）ガス拡散層（例えば、撥水層を備えたカーボンペーパー）、
（ｄ）金属板、
などがある。
本発明が適用される基材１６の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。基材１６としては、例えば、
（ａ）固体高分子電解質からなる電解質膜、
（ｂ）塗膜１８を他の材料に転写するために、一時的に塗膜１８を載置するための樹脂シート（例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート）、
（ｃ）ガス拡散層（例えば、撥水層を備えたカーボンペーパー）、
（ｄ）金属板、
などがある。
［２． 塗膜の製造方法（１）］
本発明の第１の実施の形態に係る塗膜の製造方法は、図１に示す粉体塗工装置１０ａを用いて、基材１６の塗工面１６ａに粉体１２ａを塗工し、塗工面１６ａに塗膜１８を形成することを特徴とする。塗膜１８の形成は、具体的には、以下のようにして行う。
本発明の第１の実施の形態に係る塗膜の製造方法は、図１に示す粉体塗工装置１０ａを用いて、基材１６の塗工面１６ａに粉体１２ａを塗工し、塗工面１６ａに塗膜１８を形成することを特徴とする。塗膜１８の形成は、具体的には、以下のようにして行う。
すなわち、メッシュ３２の一方の面にノズル２６の先端を近接して配置し、メッシュ３２の他方の面に基材１６を近接して配置する。また、接地装置３４を用いて基材１６の塗工面１６ａとノズル２６とをアースする。さらに、高圧電源３６を用いてメッシュ３２に電圧を印加する。
この状態において、分散装置２２内に粉体１２ａを投入し、分散装置２２内において粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕する。これと同時に、搬送ガス供給装置２４を用いて、分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを供給する。これにより、分散装置２２内において、粉体１２ａと搬送ガス１２ｂからなるエアロゾル１４が発生する。
アースされたノズル２６からエアロゾル１４が吐出されると、粉体１２ａはメッシュ３２とは反対の電荷に帯電し、メッシュ３２に向かって飛翔する。また、メッシュ３２に到達した粉体１２ａはメッシュ３２と同一の電荷に帯電した後、さらに、反対の電荷を持つ塗工面１６ａに向かって飛翔する。その結果、粉体１２ａが塗工面１６ａに塗着し、塗工面１６ａ上に塗膜１８が形成される。
［３．粉体塗工装置（２）］
図２に、本発明の第２の実施の形態に係る粉体塗工装置の模式図を示す。図２において、粉体塗工装置１０ｂは、エアロゾル発生装置２０と、静電場印加装置３０ｂとを備えている。
図２に、本発明の第２の実施の形態に係る粉体塗工装置の模式図を示す。図２において、粉体塗工装置１０ｂは、エアロゾル発生装置２０と、静電場印加装置３０ｂとを備えている。
［３．１． エアロゾル発生装置］
エアロゾル発生装置２０は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕し、粉体１２ａを含むエアロゾル１４を発生させ、エアロゾル１４を基材１６の塗工面１６ａに向かって吐出するための装置である。図２において、エアロゾル発生装置２０は、分散装置２２と、搬送ガス供給装置２４と、ノズル２６とを備えている。エアロゾル発生装置２０に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
エアロゾル発生装置２０は、粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕し、粉体１２ａを含むエアロゾル１４を発生させ、エアロゾル１４を基材１６の塗工面１６ａに向かって吐出するための装置である。図２において、エアロゾル発生装置２０は、分散装置２２と、搬送ガス供給装置２４と、ノズル２６とを備えている。エアロゾル発生装置２０に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［３．２． 静電場印加装置］
静電場印加装置３０ｂは、エアロゾル１４に含まれる粉体１２ａを誘導帯電させ、誘導帯電させた粉体１２ａを静電場により塗工面１６ａに塗着させ、塗膜１８を得るための装置である。図２において、静電場印加装置３０ｂは、接地装置３４と、高圧電源３６とを備えている。すなわち、静電場印加装置３０ｂは、メッシュを備えていない。この点が第１の実施の形態とは異なる。
静電場印加装置３０ｂは、エアロゾル１４に含まれる粉体１２ａを誘導帯電させ、誘導帯電させた粉体１２ａを静電場により塗工面１６ａに塗着させ、塗膜１８を得るための装置である。図２において、静電場印加装置３０ｂは、接地装置３４と、高圧電源３６とを備えている。すなわち、静電場印加装置３０ｂは、メッシュを備えていない。この点が第１の実施の形態とは異なる。
［３．２．１． 接地装置］
接地装置３４は、塗工面１６ａをアースするためのものである。接地装置３４に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
接地装置３４は、塗工面１６ａをアースするためのものである。接地装置３４に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［３．２．２． 高圧電源］
高圧電源３４は、塗工面１６ａに近接して配置されたノズル２６に電圧を印加することによって、ノズル２６と塗工面１６ａとの間に電界を発生させるためのものである。高圧電源３４に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
高圧電源３４は、塗工面１６ａに近接して配置されたノズル２６に電圧を印加することによって、ノズル２６と塗工面１６ａとの間に電界を発生させるためのものである。高圧電源３４に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［３．３． 適用対象］
本実施の形態において、粉体１２ａ及び基材１６の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。粉体１２ａ及び基材１６の種類に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態において、粉体１２ａ及び基材１６の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。粉体１２ａ及び基材１６の種類に関するその他の点については第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［２． 塗膜の製造方法（２）］
本発明の第２の実施の形態に係る塗膜の製造方法は、図２に示す粉体塗工装置１０ｂを用いて、基材１６の塗工面１６ａに粉体１２ａを塗工し、塗工面１６aに塗膜１８を形成することを特徴とする。塗膜１８の形成は、具体的には、以下のようにして行う。
本発明の第２の実施の形態に係る塗膜の製造方法は、図２に示す粉体塗工装置１０ｂを用いて、基材１６の塗工面１６ａに粉体１２ａを塗工し、塗工面１６aに塗膜１８を形成することを特徴とする。塗膜１８の形成は、具体的には、以下のようにして行う。
すなわち、基材１６の塗工面１６ａにノズル２６の先端を近接して配置する。また、接地装置３４を用いて基材１６の塗工面１６ａをアースする。さらに、高圧電源３６を用いてノズル２６に電圧を印加する。
この状態において、分散装置２２内に粉体１２ａを投入し、分散装置２２内において粉体１２ａを解砕及び／又は粉砕する。これと同時に、搬送ガス供給装置２４を用いて、分散装置２２内に搬送ガス１２ｂを供給する。これにより、分散装置２２内において、粉体１２ａと搬送ガス１２ｂからなるエアロゾル１４が発生する。
高電圧が印加されたノズル２６からエアロゾル１４が吐出されると、粉体１２ａは塗工面１６ａとは反対の電荷に帯電し、塗工面１６ａに向かって飛翔する。その結果、粉体１２ａが塗工面１６ａに塗着し、塗工面１６ａに塗膜１８が形成される。
高電圧が印加されたノズル２６からエアロゾル１４が吐出されると、粉体１２ａは塗工面１６ａとは反対の電荷に帯電し、塗工面１６ａに向かって飛翔する。その結果、粉体１２ａが塗工面１６ａに塗着し、塗工面１６ａに塗膜１８が形成される。
［４． 塗膜］
本発明に係る塗膜は、
電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、
前記粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である。
本発明に係る塗膜は、
電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、
前記粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である。
［４．１． 粉体の種類］
本発明に係る塗膜において、粉体は、電極触媒及び／又はアイオノマを含む。粉体は、特に、極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体が好ましい。粉体に関するその他の点については、上述した通りであるので説明を省略する。
本発明に係る塗膜において、粉体は、電極触媒及び／又はアイオノマを含む。粉体は、特に、極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体が好ましい。粉体に関するその他の点については、上述した通りであるので説明を省略する。
［４．２． 平均粒径］
粉体の平均粒径が小さくなりすぎると、粉体の凝集力が高くなる。その結果、分散装置で処理した場合であっても、凝集を完全にほぐすことができず、塗膜が不均一となる場合がある。従って、粉体の平均粒径は、１μｍ以上である必要がある。
粉体の平均粒径が小さくなりすぎると、粉体の凝集力が高くなる。その結果、分散装置で処理した場合であっても、凝集を完全にほぐすことができず、塗膜が不均一となる場合がある。従って、粉体の平均粒径は、１μｍ以上である必要がある。
一方、粉体の平均粒径が大きくなりすぎると、塗膜の表面粗さが粗くなる。表面粗さの粗い塗膜を例えば燃料電池用の触媒層として用いた場合、粉体が電解質膜を突き破り、水素極と空気極が短絡する場合がある。従って、粉体の平均粒径は、１０μｍ以下である必要がある。平均粒径は、好ましくは、８μｍ以下、さらに好ましくは、５μｍ以下である。
［３．３． 算術平均表面粗さＲａ］
燃料電池用の触媒層をウェットプロセスを用いて製造する場合、触媒インクには、通常、電極触媒の分散性を高めるための界面活性剤が添加される。このような触媒インクを基材表面に塗布し、乾燥させると、算術平均表面粗さＲａは、通常、１μｍ未満となる。一方、燃料電池用の触媒層を従来のドライプロセスを用いて製造すると、算術平均表面粗さＲａは、通常、１０μｍを超える。
燃料電池用の触媒層をウェットプロセスを用いて製造する場合、触媒インクには、通常、電極触媒の分散性を高めるための界面活性剤が添加される。このような触媒インクを基材表面に塗布し、乾燥させると、算術平均表面粗さＲａは、通常、１μｍ未満となる。一方、燃料電池用の触媒層を従来のドライプロセスを用いて製造すると、算術平均表面粗さＲａは、通常、１０μｍを超える。
これに対し、平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下である粉体を用いて、本発明に係る方法により塗膜を形成すると、塗工時における粉体の凝集が抑制される。その結果、従来のウェットプロセスに比べてＲａが大きいが、従来のドライプロセスに比べてＲａが小さい塗膜が得られる。
具体的には、算術平均粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である塗膜、すなわち、粉体の平均粒径にほぼ対応する算術平均表面粗さＲａを有する塗膜が得られる。
具体的には、算術平均粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である塗膜、すなわち、粉体の平均粒径にほぼ対応する算術平均表面粗さＲａを有する塗膜が得られる。
［４． 作用］
エアロゾル発生装置を用いて粉体（例えば、電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体）を解砕及び／又は粉砕すると同時に、エアロゾル発生装置に搬送ガスを供給すると、粉体と搬送ガスからなるエアロゾルが発生する。次いで、得られたエアロゾルを塗工面に向かって吐出し、静電場印加装置を用いて、エアロゾルに含まれる粉体を誘導帯電させると、静電場により粉体が塗工面に向かって飛翔する。その結果、粉体が塗工面に塗着し、塗膜が得られる。
エアロゾル発生装置を用いて粉体（例えば、電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体）を解砕及び／又は粉砕すると同時に、エアロゾル発生装置に搬送ガスを供給すると、粉体と搬送ガスからなるエアロゾルが発生する。次いで、得られたエアロゾルを塗工面に向かって吐出し、静電場印加装置を用いて、エアロゾルに含まれる粉体を誘導帯電させると、静電場により粉体が塗工面に向かって飛翔する。その結果、粉体が塗工面に塗着し、塗膜が得られる。
このような方法を用いると、凝集体のない均一な塗面を備えた塗膜が得られる。得られた塗膜は、ウエットプロセスで得られた塗膜に比べて表面粗さは大きいが、従来のドライプロセスで得られた塗膜に比べて表面粗さが格段に小さい。また、塗工面にエアロゾルを吐出する方法は、静電粉体塗装法に比べて塗着効率が高い。さらに、溶媒の乾燥工程が不要であるので、ウェットプロセスに比べて製造エネルギーや製造コストを削減することができる。
（実施例１～２、比較例１～２）
［１． 試料の作製］
［１．１． 塗工材料の調製］
アイオノマ（Solvay社製、Aquivion（登録商標））溶液（Ｄ７９）とカーボンブラック（Vulcan（登録商標））とを水に加え、高圧ホモジナイザー（（株）スギノマシン製、スターバーストミニ、ノズル径：１００μｍ、１５０ＭＰａ、２ｐａｓｓ）を用いて分散処理し、スラリーを得た。アイオノマ／カーボン（質量比）は０．５とし、固形分濃度は５ｍａｓｓ％とした。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理し、複合体を得た。図３に、得られたアイオノマ／カーボン複合体のＳＥＭ像を示す。図３より、一次粒径１～５μｍの粉体が得られていること、及び、粉体の一部が凝集していることが分かる。
［１． 試料の作製］
［１．１． 塗工材料の調製］
アイオノマ（Solvay社製、Aquivion（登録商標））溶液（Ｄ７９）とカーボンブラック（Vulcan（登録商標））とを水に加え、高圧ホモジナイザー（（株）スギノマシン製、スターバーストミニ、ノズル径：１００μｍ、１５０ＭＰａ、２ｐａｓｓ）を用いて分散処理し、スラリーを得た。アイオノマ／カーボン（質量比）は０．５とし、固形分濃度は５ｍａｓｓ％とした。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理し、複合体を得た。図３に、得られたアイオノマ／カーボン複合体のＳＥＭ像を示す。図３より、一次粒径１～５μｍの粉体が得られていること、及び、粉体の一部が凝集していることが分かる。
［１．２． 塗膜の作製］
［１．２．１． 実施例１］
図１に示す粉体塗工装置１０ａを用いて、塗膜１８を作製した。分散装置（ミキサー）２２で分散させた煙状の粉体（エアロゾル）を窒素ガス（２００ｍＬ／ｍｉｎ）で搬送し、設置装置３４に接続された金属製のノズル２６からエアロゾル１４を吐出させた。基材１６をアースした状態で、電圧（－２ｋＶ）をかけたメッシュ３２に向けてエアロゾル１４を吐出させると、帯電した粉体１２ａがメッシュ３２を通過し、基材１６に向かって飛翔した。その結果、塗工面１６ａに塗膜１８が形成された。
［１．２．１． 実施例１］
図１に示す粉体塗工装置１０ａを用いて、塗膜１８を作製した。分散装置（ミキサー）２２で分散させた煙状の粉体（エアロゾル）を窒素ガス（２００ｍＬ／ｍｉｎ）で搬送し、設置装置３４に接続された金属製のノズル２６からエアロゾル１４を吐出させた。基材１６をアースした状態で、電圧（－２ｋＶ）をかけたメッシュ３２に向けてエアロゾル１４を吐出させると、帯電した粉体１２ａがメッシュ３２を通過し、基材１６に向かって飛翔した。その結果、塗工面１６ａに塗膜１８が形成された。
［１．２．２． 実施例２］
図２に示す粉体塗工装置１０ｂを用いて、塗膜１８を作製した。ノズル２６と基材１６との距離を３ｍｍに設定し、金属製のノズル２６に電圧（－５ｋＶ）をかけた。分散装置（ミキサー）２２で分散させた煙状の粉体（エアロゾル）を窒素ガス（２００ｍＬ／ｍｉｎ）で搬送し、高圧電源３６に接続された金属製のノズル２６からエアロゾル１４を吐出させた。電圧（－５ｋＶ）をかけたノズル２６からアースされた塗工面１６ａに向けてエアロゾル１４を吐出させると、帯電した粉体１２ａがアースされた基材１６に向かって飛翔した。その結果、塗工面１６ａに塗膜１８が形成された。
図２に示す粉体塗工装置１０ｂを用いて、塗膜１８を作製した。ノズル２６と基材１６との距離を３ｍｍに設定し、金属製のノズル２６に電圧（－５ｋＶ）をかけた。分散装置（ミキサー）２２で分散させた煙状の粉体（エアロゾル）を窒素ガス（２００ｍＬ／ｍｉｎ）で搬送し、高圧電源３６に接続された金属製のノズル２６からエアロゾル１４を吐出させた。電圧（－５ｋＶ）をかけたノズル２６からアースされた塗工面１６ａに向けてエアロゾル１４を吐出させると、帯電した粉体１２ａがアースされた基材１６に向かって飛翔した。その結果、塗工面１６ａに塗膜１８が形成された。
［１．２．３． 比較例１］
図４に、比較例１で用いた粉体塗工装置の模式図を示す。図４において、粉体塗工装置１０ｃは、特許文献２を参考にして作製したものであり、圧電素子４２ａを用いて振動板４２ｂを振動させる振動フィーダー４２と、振動板４２ｂに粉体１２ａを供給するためのホッパー４４と、振動板４２ｂの上方に所定の間隔を隔てて配置された金属メッシュ４６とを備えている。
図４に、比較例１で用いた粉体塗工装置の模式図を示す。図４において、粉体塗工装置１０ｃは、特許文献２を参考にして作製したものであり、圧電素子４２ａを用いて振動板４２ｂを振動させる振動フィーダー４２と、振動板４２ｂに粉体１２ａを供給するためのホッパー４４と、振動板４２ｂの上方に所定の間隔を隔てて配置された金属メッシュ４６とを備えている。
粉体塗工装置１０ｃによる塗膜１８の作製は、以下のようにして行った。すなわち、金属メッシュ４６の上方に、基材１６を配置した。ホッパー４４から振動板４２ｂ上に粉体１２ａを供給し、振動フィーダ４２を用いて、粉体１２ａを金属メッシュ４６の下まで搬送した。基材１６及び振動板４２ｂをアースした状態で、電源（図示せず）を用いて金属メッシュ４６に電圧（－２ｋＶ）を印加すると、粉体１２ａが金属メッシュ４６に向かって飛翔し、さらに、金属メッシュ４６を通過して基材１６に向かって飛翔した。その結果、塗工面１６ａに塗膜１８が形成された。
［１．２．４． 比較例２（インク工法）］
３０ｍａｓｓ％白金担持Ｖｕｌｃａｎ（登録商標）（田中貴金属工業（株）製、ＴＥＣ１０Ｖ３０Ｅ）：０．８ｇ、水：３．８ｇ、アイオノマ溶液（Chemours社製、Ｄ２０２０）：１．８６ｇ、エタノール：１．４ｇを混合した溶液を、超音波ホモジナイザーで分散処理した。得られた溶液を脱泡・攪拌することで、触媒インクを調製した。これをベーカー式アプリケータでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗工し、触媒層シートを得た。
３０ｍａｓｓ％白金担持Ｖｕｌｃａｎ（登録商標）（田中貴金属工業（株）製、ＴＥＣ１０Ｖ３０Ｅ）：０．８ｇ、水：３．８ｇ、アイオノマ溶液（Chemours社製、Ｄ２０２０）：１．８６ｇ、エタノール：１．４ｇを混合した溶液を、超音波ホモジナイザーで分散処理した。得られた溶液を脱泡・攪拌することで、触媒インクを調製した。これをベーカー式アプリケータでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗工し、触媒層シートを得た。
［２． 試験方法］
［２．１． ＳＥＭ観察］
得られた塗膜１８の表面のＳＥＭ観察を行った。
［２．２． 算術平均表面粗さ］
塗膜１８の表面を共焦点レーザー顕微鏡で観察し、表面の凹凸を測定した。得られた凹凸の値から、算術平均表面粗さＲａを算出した。
［２．１． ＳＥＭ観察］
得られた塗膜１８の表面のＳＥＭ観察を行った。
［２．２． 算術平均表面粗さ］
塗膜１８の表面を共焦点レーザー顕微鏡で観察し、表面の凹凸を測定した。得られた凹凸の値から、算術平均表面粗さＲａを算出した。
［３． 結果］
［３．１． ＳＥＭ観察］
図５に、実施例１で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。図６に、実施例２で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。図５及び図６より、本発明に係る粉体塗工装置を用いると、凝集体のない均一な塗膜１８が得られることが分かる。
図７に、比較例１で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。比較例１で得られた塗膜１８は、塗面にムラがあり、所々に凝集体が観察された。図７より、金属メッシュ４６への静電飛翔だけでは、粉体が十分に分散しないことが分かる。
［３．１． ＳＥＭ観察］
図５に、実施例１で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。図６に、実施例２で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。図５及び図６より、本発明に係る粉体塗工装置を用いると、凝集体のない均一な塗膜１８が得られることが分かる。
図７に、比較例１で得られた塗膜の表面のＳＥＭ像を示す。比較例１で得られた塗膜１８は、塗面にムラがあり、所々に凝集体が観察された。図７より、金属メッシュ４６への静電飛翔だけでは、粉体が十分に分散しないことが分かる。
［３．２． 算術平均表面粗さＲａ］
比較例１で得られた塗膜１８の算術平均表面粗さＲａは、３１．８μｍであった。比較例２で得られた触媒層のＲａは、０．３μｍであった。これに対し、実施例１及び実施例２で得られた塗膜１８のＲａは、それぞれ、４．２μｍ、及び、３．４μｍであった。
以上の結果から、本発明に係る粉体塗工装置を用いると、従来のドライ工法、あるいは、インク工法では作製できない特徴を持つ塗膜１８が得られることが分かった。
比較例１で得られた塗膜１８の算術平均表面粗さＲａは、３１．８μｍであった。比較例２で得られた触媒層のＲａは、０．３μｍであった。これに対し、実施例１及び実施例２で得られた塗膜１８のＲａは、それぞれ、４．２μｍ、及び、３．４μｍであった。
以上の結果から、本発明に係る粉体塗工装置を用いると、従来のドライ工法、あるいは、インク工法では作製できない特徴を持つ塗膜１８が得られることが分かった。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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内で種々の改変が可能である。
本発明に係る粉体塗工装置は、固体高分子形燃料電池の触媒層の製造、撥水層の製造、金属セパレータの表面コートなどに用いることができる。
１０ａ、１０ｂ 粉体塗工装置
２０ エアロゾル発生装置
２２ 分散装置
２４ 搬送ガス供給装置
２６ ノズル
３０ａ、３０ｂ 静電場印加装置
３２ メッシュ
３４ 接地装置
３６ 高圧電源
２０ エアロゾル発生装置
２２ 分散装置
２４ 搬送ガス供給装置
２６ ノズル
３０ａ、３０ｂ 静電場印加装置
３２ メッシュ
３４ 接地装置
３６ 高圧電源
Claims (11)
- 粉体を解砕及び／又は粉砕し、前記粉体を含むエアロゾルを発生させ、前記エアロゾルを基材の塗工面に向かって吐出するためのエアロゾル発生装置と、
前記エアロゾルに含まれる前記粉体を誘導帯電させ、誘導帯電させた前記粉体を静電場により前記塗工面に塗着させ、塗膜を得るための静電場印加装置と
を備えた粉体塗工装置。 - 前記エアロゾル発生装置は、
前記粉体を解砕及び／又は粉砕するための分散装置と、
前記分散装置内に搬送ガスを吹き込むことにより、前記分散装置内において、前記粉体と前記搬送ガスからなる前記エアロゾルを発生させるための搬送ガス供給装置と、
前記分散装置内で発生させた前記エアロゾルを前記塗工面に向けて吐出するためのノズルと
を備えている請求項１に記載の粉体塗工装置。 - 前記静電場印加装置は、
前記ノズルと前記塗工面との間に設置されたメッシュと、
前記ノズルと前記塗工面をアースするための接地装置と、
前記メッシュに電圧を印加することによって、前記ノズルと前記メッシュとの間、及び、前記メッシュと前記塗工面との間に電界を発生させるための高圧電源と
を備えている請求項１又は２に記載の粉体塗工装置。 - 前記静電場印加装置は、
前記塗工面をアースするための接地装置と、
前記塗工面に近接して配置された前記ノズルに電圧を印加することによって、前記ノズルと前記塗工面との間に電界を発生させるための高圧電源と
を備えている請求項１又は２に記載の粉体塗工装置。 - 前記粉体は、電極触媒及び／又はアイオノマを含む請求項１から４までのいずれか１項に記載の粉体塗工装置。
- 前記粉体は、電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体からなる請求項１から５までのいずれか１項に記載の粉体塗工装置。
- 請求項１から４までのいずれか１項に記載の粉体塗工装置を用いて、前記基材の塗工面に前記粉体を塗工し、前記塗工面に塗膜を形成する塗膜の製造方法。
- 前記粉体は、電極触媒及び／又はアイオノマを含む請求項７に記載の塗膜の製造方法。
- 前記粉体は、電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体からなる請求項７又は８に記載の塗膜の製造方法。
- 電極触媒及び／又はアイオノマを含む粉体を含み、
前記粉体の平均粒径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、
算術平均表面粗さＲａが１μｍ以上１０μｍ以下である塗膜。 - 前記粉体は、電極触媒の表面がアイオノマでコートされた複合体からなる請求項１０に記載の塗膜。
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| JP2017131880A (ja) * | 2016-01-18 | 2017-08-03 | パロ アルト リサーチ センター インコーポレイテッド | 基材をコーティングするためのシステム及び方法 |
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-
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