JP5382309B2 - 膜への層形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定量吐出装置によって定量の層形成用液体を複数台の塗布器の各々に吐出して膜上の並んだ位置に層形成用液体を各々定量、塗布させ、厚みが揃えられた単一の層を形成する装置、特に、電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成装置に好適する膜への層形成装置に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載のものがあった。
これは、燃料電池の電解質膜・触媒層の形成工程において、複数台のスプレー（スプレーガン）を設置し、スプレー法により電解質層及び触媒層を連続的に製造するというものである。

特開２００６−２１６２８０号公報

塗布器にスプレーガンを用いる場合には、一般的にはタンクで触媒インクに圧をかけてスプレーガンに圧送する場合が多い。ここで、触媒インクの粘度変化に対して吐出量の安定性を向上させようとする場合は、スプレーガンの直近にモーノポンプやピストン機構等の定量吐出装置を取り付け、機械的に一定量の液体をスプレーガンに吐出、送給する方法が採られる。
上記従来技術において、層厚の精度（定量性）を高く保つためには、図６に示すように、スプレーガン６１に、モータ６２及び触媒インク移送機構６３等を備えてなる定量吐出装置６４を付加する必要がある。また、スプレーガン６１を複数台設置する場合には、図７に示すように、スプレーガン６１毎に定量吐出装置６４を付加する必要がある。つまり、複数の定量吐出装置６４を必要とする。
しかし定量吐出装置６４は、大形状であって設置スペースが大きく、また重量も大きく、しかも高価格であり、このような定量吐出装置６４を複数台のスプレーガン６１と同数（複数）必要になると、更に設置スペースを拡大させ、重量を増大させ、価格を上昇させることになり、従来、この点についての改善が望まれていた。

本発明は、上記のような要望に鑑みなされたもので、定量吐出装置と複数台の塗布器を備えていながら、小形で設置スペースが小さく、また重量も小さく、しかも低価格の膜への層形成装置を提供することを課題とする。

上記課題は、膜への層形成装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の（１）項が請求項１に対応する。

（１） 定量吐出装置によって定量の層形成用液体を複数台の塗布器の各々に吐出して膜上の並んだ位置に前記液体を各々定量、塗布させ、厚みが揃えられた単一の層を形成する膜への層形成装置において、前記定量吐出装置は、各塗布器に定量の層形成用液体を吐出させるための層形成用液体移送機構が全塗布器に共通の単一の機構によって構成され、前記膜は燃料電池の電解質膜であり、この電解質膜上に塗布する層形成用液体は前記燃料電池の触媒層を形成するための触媒層形成用液体であり、前記定量吐出装置はラック・ピニオン機構及びピストン機構を備えてなり、前記層形成用液体移送機構は、前記ラック・ピニオン機構の、前記全塗布器に亘って延出形成されたラックと、このラックを駆動する単一の駆動源とによって構成されていることを特徴とする膜への層形成装置。
塗布器にはスプレーガンが好適する。層形成用液体は膜に塗布して層形成可能であればその成分、材質を問わない。
本項の膜への層形成装置は燃料電池の触媒層形成装置、換言すれば燃料電池用膜−電極接合体の製造装置を構成する。

（１）項に記載の発明によれば、定量吐出装置と複数台の塗布器を備えていながら、小形で設置スペースが小さく、また重量も小さく、しかも低価格の膜への層形成装置、特に、燃料電池の触媒層形成装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による膜への層形成装置の一実施形態の概略説明図、図２は同装置の要部構成説明図である。
本実施形態は、燃料電池の電解質膜を搬送しつつその電解質膜上に触媒層形成用液体を塗布して触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成装置、換言すれば燃料電池用膜−電極接合体の製造装置に本発明を適用したものである。この場合、電解質膜及び触媒層形成用液体は、固体高分子形燃料電池用の電極の製造に通常用いられる材料からなる。例えば、電解質膜はイオン交換樹脂材からなり、また触媒層形成用液体は白金等を含む液体（以下、触媒インクと記す。）である。

本実施形態では、図１に示すように、ロール状に巻いた状態から帯状に繰り出されて一方向アに搬送される電解質膜１１の上方に、触媒インク１２を塗布する塗布器、ここではスプレーガン１３を備える。
スプレーガン１３は、１台では塗布範囲が必要幅に満たないので複数台、ここでは３台横並び（電解質膜搬送方向アに直交する方向）に設けられ、触媒インク１２を、電解質膜１１上の幅方向に並んだ位置に隙間なく塗布されるように、塗布方向と塗布範囲が各々調整されている。

定量吐出装置１４は、３台のスプレーガン１３に各々触媒インク１２を定量、吐出し、電解質膜１１上の上記の並んだ位置に各々定量、塗布させて、厚みが揃えられた単一の触媒層１５を形成させるための装置である。各触媒層１５は、電解質膜１１の搬送速度の設定等によって大きさ、形状も揃えられる。
この定量吐出装置１４は、各スプレーガン１３に定量の触媒インク１２を吐出させるための触媒インク移送機構（触媒層形成用液体移送機構）１６が全スプレーガン１３に共通の単一の機構によって構成されている。
本実施形態のように、定量吐出装置１４としてモーノポンプ等の回転容積型の一軸偏心ねじポンプが用いられている場合には、図２に例示するように、その触媒インク移送機構１６を構成するステータ１７及びロータ１８が全スプレーガン１３（図中、左端のスプレーガン１３から右端のスプレーガン１３）に亘って延出形成されている。そしてそのロータ１８が、同様に触媒インク移送機構１６を構成する単一の駆動源、ここではモータ１９によって駆動されることにより、各スプレーガン１３に定量の触媒インク１２が吐出しされるように構成されている。

触媒インク１２は、全スプレーガン１３に共通の単一の触媒インク循環ライン（触媒層形成用液体循環ライン）２０から定量吐出装置１４に吸い込まれ（矢印イ参照）、その触媒インク移送機構１６の各触媒インク吐出口２１から各スプレーガン１３に吐出される。触媒インク循環ライン２０の主インク流（矢印ウ参照）の流量に対して定量吐出装置１４に吸い込まれるインク流（矢印イ参照）の流量を適宜設定すれば、定量吐出装置１４に吸い込まれて各スプレーガン１３に吐出される触媒インク１２は定量となる。なお図２中の２２は、スプレーガン１３毎に形成された触媒インク移送室相互間における触媒インク漏れを防ぐ隔壁である。

スプレーガン１３には、例えば図３に示すスプレーガンが使用される。
このスプレーガン１３は、エア供給口３１に駆動エア３２が供給されることでエアピストン３３が押し上げられ、それに連結されたニードル３４が上部にリフトし、インク吐出口３５が開口して内部の触媒インク１２が吐出され、エア供給口３７に供給されている霧化エア３８によって外部にスプレーされる。駆動エア３２の供給が絶たれるとスプリング３９によりニードル３４が下降してインク吐出口３５が閉じる。
インク供給口４０は、上記定量吐出装置１４（触媒インク移送機構１６）の触媒インク吐出口２１に連結されて定量の触媒インク１２を受ける。

本実施形態では、定量吐出装置１４の主構成をなす、各スプレーガン１３に定量の触媒インク１２を吐出させるための触媒インク移送機構１６を、全スプレーガン１３に共通の単一の機構によって構成した。
したがって本実施形態によれば、定量吐出装置１４と複数台のスプレーガン１３を用いて高精度の層厚を得ようとする場合においても、複数台のスプレーガン１３の各々に、図６に示したように個別の触媒インク移送機構６３を備えた定量吐出装置６４を付加する必要なく、膜への層形成装置を、小形で設置スペースが小さく、また重量も小さく、しかも低価格に構成できる。

なお上述実施形態では、定量吐出装置１４としてモーノポンプ等の回転容積型の一軸偏心ねじポンプを用いた場合について述べたが、これのみに限定されることはない。
例えば図４に示すように、ラック・ピニオン機構５１及びピストン機構５２による定量吐出装置１４を用いてもよい。この場合は、図示するように、その触媒インク移送機構１６を構成するラック・ピニオン機構５１のラック５３が全スプレーガン１３に亘って延出形成される。そしてこのラック５３が、同様に触媒インク移送機構１６を構成する単一のモータ１９によって駆動されることにより、各スプレーガン１３に対応して設けられたピニオン５４が回転されてピストン機構５２が駆動され、各スプレーガン１３に定量の触媒インクが吐出しされるように構成されている。
各ピストン機構５２は、上記のようにラック・ピニオン機構５１のラック５３により各ピニオン５４を介して駆動され、図１に示すように、各スプレーガン１３に触媒インク１２を定量、吐出し、電解質膜１１上の並んだ位置に各々定量、塗布させて、厚みが揃えられた単一の触媒層１５を形成させる。
図示例では、触媒インク循環ライン２０及び各スプレーガン１３間に自動バルブ５５が設けられている。この自動バルブ５５は、電解質膜１１上に触媒インク１２を塗布しない時には触媒インク循環ライン２０からスプレーガン１３に触媒インク１２を吸い込むために開動作する。また、電解質膜１１上への触媒インク１２の塗布時にはスプレーガン１３から触媒インク１２を吐出し、電解質膜１１上に塗布するために閉動作するもので、電解質膜１１上への触媒層１５の間欠形成を可能としている。

触媒インク循環ライン２０についても、図２に示す構成のみに限定されることはない。例えば図５に示すように、主インク流（矢印ウ参照）自体が一軸偏心ねじポンプ内（ステータ１７及びロータ１８構成部分）を経由するように触媒インク循環ライン２０を構成してもよい。
更に上述実施形態では、膜は燃料電池の電解質膜であり、層は触媒層である場合について述べたが、膜、層はこれら電解質膜、触媒層に限られない。

本発明による膜への層形成装置の一実施形態の概略説明図である。 同上装置の要部構成説明図である。 同上装置に用いられるスプレーガンの構成説明図である。 同上装置に用いられる定量吐出装置の他の例の構成説明図である。 同じく触媒インク循環ラインの他の例の構成説明図である。 従来技術の構成説明図である。 従来技術においてスプレーガンを複数台設置した場合の構成説明図である。

符号の説明

１１：電解質膜、１２：触媒インク（層形成用液体）、１３：スプレーガン（塗布器）、１４：定量吐出装置（回転容積型一軸偏心ねじポンプ）、１５：触媒層、１６：触媒インク移送機構（層形成用液体移送機構）、１９：モータ。

Claims (1)

1. 定量吐出装置によって定量の層形成用液体を複数台の塗布器の各々に吐出して膜上の並んだ位置に前記液体を各々定量、塗布させ、厚みが揃えられた単一の層を形成する膜への層形成装置において、
   前記定量吐出装置は、各塗布器に定量の層形成用液体を吐出させるための層形成用液体移送機構が全塗布器に共通の単一の機構によって構成され、
   前記膜は燃料電池の電解質膜であり、この電解質膜上に塗布する層形成用液体は前記燃料電池の触媒層を形成するための触媒層形成用液体であり、
   前記定量吐出装置はラック・ピニオン機構及びピストン機構を備えてなり、前記層形成用液体移送機構は、前記ラック・ピニオン機構の、前記全塗布器に亘って延出形成されたラックと、このラックを駆動する単一の駆動源とによって構成されていることを特徴とする膜への層形成装置。