JP6350030B2 - Electrocatalyst layer production apparatus and production method - Google Patents
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Description
本発明は、電極触媒層の製造装置および製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer manufacturing apparatus and a manufacturing method.
燃料電池の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)に含まれる電極触媒層は、電極触媒および高分子電解質膜から構成されており、例えば、転写シートに電極触媒インクを塗布して乾燥させることで形成された電極触媒層を、高分子電解質膜へ転写することで製造される。 An electrode catalyst layer included in a membrane electrode assembly (MEA) of a fuel cell is composed of an electrode catalyst and a polymer electrolyte membrane. For example, an electrode catalyst ink is applied to a transfer sheet and dried. The electrode catalyst layer formed in (1) is transferred to a polymer electrolyte membrane.
電極触媒インクに含まれる固形分粒子は、比較的短時間で経時変化により凝集体を形成するため、凝集体を含んだ電極触媒インクが転写シートに塗布されることになり、製造された電極触媒層に凝集体が残留(点在)する虞があった。凝集体は、ガス透過性が低いため、触媒が有効に利用されないだけでなく、生成した水分が排出されない等の問題を引き起こすため、電極触媒インクの塗布前に、凝集体を除去している(例えば、特許文献1参照。)。 Since the solid content particles contained in the electrode catalyst ink form aggregates over time in a relatively short time, the electrode catalyst ink containing aggregates is applied to the transfer sheet, and the produced electrode catalyst There is a possibility that aggregates may remain (spotted) in the layer. Since the aggregate has low gas permeability, not only is the catalyst not used effectively, but also causes problems such as the generated water not being discharged. Therefore, the aggregate is removed before application of the electrode catalyst ink ( For example, see Patent Document 1.)
しかし、凝集体の除去は、メッシュフィルターを使用したろ過工程や、機械的解砕機を用いた物理的な解砕工程を追加することによって実施しており、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する(再凝集する)虞があり、凝集体の除去が十分ではなかった。 However, the removal of the agglomerates is carried out by adding a filtration process using a mesh filter and a physical crushing process using a mechanical crusher. There is a possibility that aggregates may be newly formed (reaggregated) until application, and the aggregates have not been sufficiently removed.
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置および製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems associated with the above-described prior art, and an object thereof is to provide a manufacturing apparatus and a manufacturing method for manufacturing an electrode catalyst layer from which aggregates are sufficiently removed. .
上記目的を達成するための本発明の一様相は、電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布するための塗布ヘッドと、凝集体を超音波振動によって解砕する超音波解砕手段と、を有する電極触媒層の製造装置である。前記塗布ヘッドは、供給口、マニホールド部、凝集体除去手段および吐出口を有する。前記供給口には、前記電極触媒インクが供給される。前記マニホールド部は、前記供給口から導入される前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げる。前記凝集体除去手段は、前記マニホールド部の内部に配置され、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および/又は捕集する。前記吐出口は、前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記フィルム基材に向かって吐出する。前記超音波解砕手段は、圧力検出手段および超音波振動付与手段を有する。前記圧力検出手段は、前記塗布ヘッドの内部圧力を検出し、前記超音波振動付与手段は、前記マニホールド部に前記超音波振動を付与する。そして、前記圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、前記凝集体は、前記超音波振動付与手段によって解砕される。 In order to achieve the above object, the uniform phase of the present invention includes an application head for applying an electrode catalyst ink constituting an electrode catalyst layer to a film substrate, and an ultrasonic crushing method for crushing aggregates by ultrasonic vibration. And an electrode catalyst layer manufacturing apparatus. The coating head has a supply port, a manifold part, an aggregate removal means, and a discharge port. The electrode catalyst ink is supplied to the supply port. The manifold portion expands the electrode catalyst ink introduced from the supply port in the coating width direction. The agglomerate removing means is disposed inside the manifold part, and crushes and / or collects agglomerates contained in the electrode catalyst ink. The discharge port discharges the electrode catalyst ink that has passed through the manifold portion and the aggregate removing means toward the film base. The ultrasonic crushing means has pressure detection means and ultrasonic vibration applying means. The pressure detecting unit detects an internal pressure of the coating head, and the ultrasonic vibration applying unit applies the ultrasonic vibration to the manifold portion. When it is determined that the aggregate is accumulated inside the manifold portion based on the increase in the internal pressure of the coating head detected by the pressure detection unit, the aggregate is applied with the ultrasonic vibration. Crushed by means.
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、電極触媒層を構成する電極触媒インクをフィルム基材に塗布する塗布工程を有する電極触媒層の製造方法である。前記塗布工程においては、前記電極触媒インクを塗布ヘッドの供給口に供給し、前記供給口から導入される前記電極触媒インクを前記塗布ヘッドのマニホールド部に導入し、前記マニホールド部において、前記マニホールド部の内部に配置される凝集体除去手段によって前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および/又は捕集し、かつ、前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げ、前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記塗布ヘッドの吐出口から、前記フィルム基材に向かって吐出する。また、前記塗布工程においては、前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段を作動させて前記マニホールド部に超音波振動を付与し、前記マニホールド部の内部に堆積している凝集体を解砕させる。 Another uniform phase of the present invention for achieving the above object is a method for producing an electrode catalyst layer having a coating step of coating an electrode catalyst ink constituting the electrode catalyst layer on a film substrate. In the coating step, the electrode catalyst ink is supplied to a supply port of a coating head, and the electrode catalyst ink introduced from the supply port is introduced to a manifold portion of the coating head. The aggregate contained in the electrocatalyst ink is crushed and / or collected by the aggregate removing means disposed inside the electrocatalyst ink, and the electrocatalyst ink is spread in the coating width direction, so that the manifold portion and the aggregate The electrode catalyst ink that has passed through the removing means is discharged from the discharge port of the coating head toward the film substrate. Further, in the coating step, it is determined that aggregates are accumulated in the manifold portion based on an increase in the internal pressure of the coating head detected by a pressure detection unit that detects an internal pressure of the coating head. In this case, the ultrasonic vibration applying means is operated to apply ultrasonic vibration to the manifold part, and the aggregates accumulated in the manifold part are crushed.
本発明に係る製造装置および製造方法においては、電極触媒インクに含まれる凝集体は、凝集体除去手段によって除去される。凝集体除去手段は、塗布ヘッドのマニホールド部の内部に配置されており、凝集体を除去された直後の電極触媒インクが塗布されるため、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する(再凝集する)虞はない。したがって、フィルム基材に塗布された電極触媒インクを乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置および製造方法を提供することが可能である。また、特に、塗布ヘッドを分解洗浄して凝集体を除去することが要求されず、塗布ヘッドの再組み付けに伴う調節時間が不要であり、材料ロスも生じない。 In the production apparatus and production method according to the present invention, the aggregates contained in the electrode catalyst ink are removed by the aggregate removal means. The agglomerate removing means is disposed inside the manifold portion of the coating head and applies the electrode catalyst ink immediately after the agglomerate is removed. In this case, there is no possibility that aggregates are newly generated (reaggregated). Therefore, by drying the electrode catalyst ink applied to the film substrate, an electrode catalyst layer from which aggregates have been reliably removed can be obtained. That is, it is possible to provide a production apparatus and a production method for producing an electrode catalyst layer from which aggregates are sufficiently removed. In particular, it is not required to disassemble and wash the coating head to remove the aggregates, and no adjustment time is required for reassembling the coating head, and no material loss occurs.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
図1は、実施の形態1に係る電極触媒層を有する燃料電池を説明するための断面図である。 1 is a cross-sectional view for explaining a fuel cell having an electrode catalyst layer according to Embodiment 1. FIG.
実施の形態1に係る燃料電池は、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)からなり、図1に示される単セル10の積層体を有する。単セル10は、膜電極接合体20およびセパレータ80,85を有する。 The fuel cell according to Embodiment 1 is composed of, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel, and has a stack of single cells 10 shown in FIG. The single cell 10 has a membrane electrode assembly 20 and separators 80 and 85.
膜電極接合体20は、高分子電解質膜30、電極触媒層50,55およびガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)70,75を有する。 The membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 30, electrode catalyst layers 50 and 55, and gas diffusion layers (GDLs) 70 and 75.
電極触媒層50は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード電極であり、高分子電解質膜30の一方の側に配置される。電極触媒層55は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード電極であり、高分子電解質膜30の他方の側に配置される。 The electrode catalyst layer 50 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte. The electrode catalyst layer 50 is an anode electrode that undergoes a hydrogen oxidation reaction, and is disposed on one side of the polymer electrolyte membrane 30. Be placed. The electrode catalyst layer 55 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte. The electrode catalyst layer 55 is a cathode electrode in which an oxygen reduction reaction proceeds, and is disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane 30. Be placed.
高分子電解質膜30は、電極触媒層50で生成したプロトンを電極触媒層55へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。 The polymer electrolyte membrane 30 has a function of selectively permeating protons generated in the electrode catalyst layer 50 to the electrode catalyst layer 55 and does not mix the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side. Function as a partition wall.
ガス拡散層70は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ80と電極触媒層50との間に位置している。ガス拡散層75は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ85と電極触媒層55との間に位置している。 The gas diffusion layer 70 is an anode gas diffusion layer for dispersing the fuel gas supplied to the anode side, and is located between the separator 80 and the electrode catalyst layer 50. The gas diffusion layer 75 is a cathode gas diffusion layer for dispersing the oxidant gas supplied to the cathode side, and is located between the separator 85 and the electrode catalyst layer 55.
セパレータ80,85は、単セル10を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体20と略同一形状でありステンレス鋼鈑から製造される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて耐食性のコーティングを施すことも可能である。 The separators 80 and 85 have a function of electrically connecting the single cells 10 in series and a function of a partition that blocks fuel gas, oxidant gas, and refrigerant from each other, and have substantially the same shape as the membrane electrode assembly 20 and are made of stainless steel. Manufactured from steel. The stainless steel plate is preferable in that it is easy to perform complicated machining and has good conductivity, and it is possible to apply a corrosion-resistant coating as necessary.
セパレータ80は、膜電極接合体20のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、電極触媒層50に相対し、膜電極接合体20とセパレータ80との間に位置するガス流路84を構成するリブ部82と、水素通過用、酸素通過用および冷却水通過用にそれぞれ設けられるマニホールド穴(不図示)とを有する。ガス流路84は、燃料ガスを電極触媒層50に供給するために利用される。 The separator 80 is an anode separator disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 20, and constitutes a gas flow path 84 that is located between the membrane electrode assembly 20 and the separator 80, facing the electrode catalyst layer 50. Rib portion 82 and manifold holes (not shown) provided for hydrogen passage, oxygen passage, and cooling water passage, respectively. The gas flow path 84 is used for supplying fuel gas to the electrode catalyst layer 50.
セパレータ85は、膜電極接合体20のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、電極触媒層55に相対し、膜電極接合体20とセパレータ85との間に位置するガス流路89を構成するリブ部87と、水素通過用、酸素通過用および冷却水通過用にそれぞれ設けられるマニホールド穴(不図示)とを有する。ガス流路89は、酸化剤ガスを電極触媒層55に供給するために利用される。 The separator 85 is a cathode separator disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 20, and constitutes a gas flow path 89 positioned between the membrane electrode assembly 20 and the separator 85, facing the electrode catalyst layer 55. Rib portion 87 and manifold holes (not shown) provided for passing hydrogen, passing oxygen, and passing cooling water are provided. The gas flow path 89 is used for supplying an oxidant gas to the electrode catalyst layer 55.
次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。 Next, the material and size of each component will be described in detail.
高分子電解質膜30は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン(登録商標)(デュポン株式会社製)、アシプレックス(登録商標)(旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標)(旭硝子株式会社製)等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)から形成される。 The polymer electrolyte membrane 30 is a porous polymer electrolyte membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a porous resin membrane having a sulfonic acid group, and a porous material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid. A shaped film can be applied. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer include Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark) (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. The porous film is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF).
高分子電解質膜30の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から5〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μmである。 The thickness of the polymer electrolyte membrane 30 is not particularly limited, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm from the viewpoint of strength, durability, and output characteristics.
電極触媒層50に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されない。電極触媒層55に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されない。 The catalyst component used for the electrode catalyst layer 50 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction. The catalyst component used for the electrode catalyst layer 55 is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen.
具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード電極およびアノード電極に適用される触媒成分は、同一である必要はなく適宜変更することが可能である。 Specific catalyst components include, for example, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Etc. are selected. In order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, etc., those containing at least platinum are preferable. The catalyst components applied to the cathode electrode and the anode electrode need not be the same and can be changed as appropriate.
電極触媒層50,55に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。 As long as the conductive carrier of the catalyst used for the electrode catalyst layers 50 and 55 has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector, Although not limited, the main component is preferably carbon particles. The carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.
電極触媒層50,55に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。電極触媒層50,55に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜30に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜30に対する電極触媒層50,55の密着性を向上させる観点から同一であることが好ましい。 The polymer electrolyte used for the electrode catalyst layers 50 and 55 is not particularly limited as long as it is a member having at least high proton conductivity. For example, a fluorine-based electrolyte containing a fluorine atom in all or part of the polymer skeleton or a polymer A hydrocarbon-based electrolyte that does not contain a fluorine atom in the skeleton is applicable. The polymer electrolyte used for the electrode catalyst layers 50 and 55 may be the same as or different from the polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane 30, but the electrode catalyst layers 50 and 55 for the polymer electrolyte membrane 30 are not limited. It is preferable that they are the same from the viewpoint of improving the adhesion.
ガス拡散層70,75は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から30〜500μmが好ましい。 The gas diffusion layers 70 and 75 are configured using, as a base material, a sheet-like material having conductivity and porosity, such as a carbon woven fabric such as glassy carbon, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric. Although the thickness of a base material is not specifically limited, 30-500 micrometers is preferable from a mechanical strength and permeability viewpoints, such as gas and water.
ガス拡散層70,75は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、PTFE、PVDF、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。 The gas diffusion layers 70 and 75 preferably contain a water repellent in the base material from the viewpoint of water repellency and suppression of the flooding phenomenon. Examples of the water repellent include PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, a fluoropolymer such as tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene.
セパレータ80,85は、ステンレス鋼から構成する形態に限定されず、その他の金属材料(例えば、アルミニウムやクラッド材)を適用することも可能である。 Separator 80, 85 is not limited to the form which comprises stainless steel, and other metal materials (for example, aluminum and a clad material) can also be applied.
次に、実施の形態1に係る電極触媒層の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the electrode catalyst layer according to Embodiment 1 will be described.
図2は、実施の形態1に係る電極触媒層の製造方法を説明するためのフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart for explaining the method for manufacturing the electrode catalyst layer according to the first embodiment.
実施の形態1に係る電極触媒層の製造方法は、図2に示されるように、電極触媒インク調製工程、塗布工程、乾燥工程および転写工程を有する。 The method for producing an electrode catalyst layer according to Embodiment 1 includes an electrode catalyst ink preparation process, a coating process, a drying process, and a transfer process, as shown in FIG.
電極触媒インク調製工程においては、電極構成部材、溶媒および分散剤が混合されて、電極触媒インクが調製される。 In the electrode catalyst ink preparation step, an electrode component ink, a solvent and a dispersant are mixed to prepare an electrode catalyst ink.
電極構成部材は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質である。なお、カソード電極(電極触媒層50)の製造に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有すものであり、アノード電極(電極触媒層55)の製造に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものある。 The electrode component is a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte. The catalyst component used in the production of the cathode electrode (electrode catalyst layer 50) has a catalytic action in the oxygen reduction reaction, and the catalyst component used in the production of the anode electrode (electrode catalyst layer 55) is: Some have a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen.
溶媒は、例えば、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどのアルコールが溶解されている水である。分散剤は、例えば、界面活性剤、耐熱安定剤、耐候安定剤、滑剤、アンチブロッキング剤、スリップ剤、無機充填剤である。 The solvent is, for example, water in which an alcohol such as ethanol, 1-propanol, or 2-propanol is dissolved. The dispersant is, for example, a surfactant, a heat stabilizer, a weather stabilizer, a lubricant, an antiblocking agent, a slip agent, or an inorganic filler.
塗布工程においては、調製された電極触媒インクが、転写シートからなるフィルム基材に塗布される。この際、後述するように、塗布直前に電極触媒インクから凝集体が除去される。転写シートは、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、ポリエステルシートである。 In the application step, the prepared electrode catalyst ink is applied to a film substrate made of a transfer sheet. At this time, as will be described later, aggregates are removed from the electrode catalyst ink immediately before coating. The transfer sheet is, for example, a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet.
乾燥工程においては、電極触媒インクの塗布層が乾燥されて、電極触媒層が形成される。これにより、電極触媒インクの塗布層に含まれる電極構成部材に応じて、カソード電極(電極触媒層50)あるいはアノード電極(電極触媒層55)が製造される。 In the drying step, the electrode catalyst ink coating layer is dried to form an electrode catalyst layer. Thereby, the cathode electrode (electrode catalyst layer 50) or the anode electrode (electrode catalyst layer 55) is manufactured according to the electrode constituent member contained in the coating layer of the electrode catalyst ink.
転写工程においては、電極触媒層がフィルム基材から剥離されて、高分子電解質膜へ転写される。これにより、燃料電池の膜電極接合体が製造される。 In the transfer step, the electrode catalyst layer is peeled off from the film substrate and transferred to the polymer electrolyte membrane. Thereby, the membrane electrode assembly of a fuel cell is manufactured.
電極触媒インクの塗布層は、凝集体が除去されているため、電極触媒インクの塗布層を乾燥して形成される電極触媒層も、凝集体を有していない。つまり、電極触媒層は、凝集体が十分に除去されているため、ガス透過性が低いため触媒が有効に利用されない部分が生じず、生成した水分が排出されない等の問題を引き起こすこともない。 Since the aggregate of the electrode catalyst ink coating layer is removed, the electrode catalyst layer formed by drying the electrode catalyst ink coating layer does not have the aggregate. That is, since the aggregate is sufficiently removed from the electrode catalyst layer, the gas permeability is low, so that a portion where the catalyst is not effectively used does not occur and the generated moisture is not discharged.
電極触媒インクは、高分子電解質膜に塗布されないため、電極触媒インクに含まれる溶媒による高分子電解質膜に対する悪影響が抑制される。なお、必要に応じて、電極触媒インクを高分子電解質膜に塗布することも可能である。この場合、転写工程が不要となるため生産性が向上し、転写不良による歩留まりの低下や、捨て材としての転写シートの発生を避けることが可能である。 Since the electrode catalyst ink is not applied to the polymer electrolyte membrane, adverse effects on the polymer electrolyte membrane due to the solvent contained in the electrode catalyst ink are suppressed. If necessary, it is also possible to apply an electrode catalyst ink to the polymer electrolyte membrane. In this case, since a transfer process is not required, productivity is improved, and it is possible to avoid a decrease in yield due to transfer failure and generation of a transfer sheet as a discarded material.
次に、塗布工程に係る電極触媒層製造装置を説明する。 Next, the electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the coating process will be described.
図3は、図2に示される塗布工程に適用される電極触媒層製造装置を説明するための概略図、図4は、図3に示される塗布ヘッドを説明するための平面図である。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an electrode catalyst layer manufacturing apparatus applied to the coating step shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a plan view for explaining the coating head shown in FIG.
塗布工程に係る電極触媒層製造装置は、図3に示されるように、電極触媒インク40の塗布装置100である。塗布装置100は、タンク110、バックロール120、塗布ヘッド130、配管系160,170および制御部180を有する。 The electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the coating process is a coating apparatus 100 for the electrode catalyst ink 40 as shown in FIG. The coating apparatus 100 includes a tank 110, a back roll 120, a coating head 130, piping systems 160 and 170, and a control unit 180.
タンク110は、調製された電極触媒インク40を保持するために使用される容器であり、シャフト112および電動機114を有する。シャフト112は、先端に撹拌翼が配置されている。電動機114は、シャフト112を回転し、撹拌翼によって電極触媒インク40をかき混ぜるために設けられている。 The tank 110 is a container used for holding the prepared electrocatalyst ink 40 and includes a shaft 112 and an electric motor 114. The shaft 112 has a stirring blade disposed at the tip. The electric motor 114 is provided to rotate the shaft 112 and stir the electrode catalyst ink 40 with a stirring blade.
バックロール120は、フィルム基材90の内側に配置され、回転駆動されることによって、フィルム基材90を搬送するように構成されている。なお、符号Lは、塗布方向を示している。 The back roll 120 is arranged inside the film substrate 90 and is configured to convey the film substrate 90 by being driven to rotate. In addition, the code | symbol L has shown the application | coating direction.
塗布ヘッド130は、電極触媒インク40をフィルム基材90に塗布して、電極触媒インク40の塗布層42を形成するために設けられており、供給口132、マニホールド部134、凝集体除去手段140および吐出口136を有する。 The coating head 130 is provided to apply the electrode catalyst ink 40 to the film substrate 90 to form the coating layer 42 of the electrode catalyst ink 40. The supply head 132, the manifold part 134, and the aggregate removing means 140 are provided. And a discharge port 136.
供給口132は、配管系160と連通しており、電極触媒インク40が供給される。マニホールド部134は、円柱状であり、供給口132および吐出口136と連通しており、図4に示されるように、供給口132から導入される電極触媒インク40を塗布幅方向Wに拡げるために設けられている。凝集体除去手段140は、マニホールド部134の内部形状に対応する形状を有し(円柱状であり)、マニホールド部134の内部に固定式に配置されている。吐出口136は、マニホールド部134および凝集体除去手段140を通過した電極触媒インク40を、フィルム基材90に向かって吐出する。 The supply port 132 communicates with the piping system 160 and is supplied with the electrode catalyst ink 40. The manifold portion 134 has a columnar shape, and communicates with the supply port 132 and the discharge port 136. In order to expand the electrode catalyst ink 40 introduced from the supply port 132 in the coating width direction W as shown in FIG. Is provided. Aggregate removing means 140 has a shape corresponding to the internal shape of manifold portion 134 (which is cylindrical), and is fixedly arranged inside manifold portion 134. The discharge port 136 discharges the electrode catalyst ink 40 that has passed through the manifold part 134 and the aggregate removing means 140 toward the film substrate 90.
マニホールド部134は、円柱状に限定されず、例えば、半円柱状や、ハンガー形状のものを適用することが可能である。また、凝集体除去手段140は、円柱状に限定されない。 The manifold portion 134 is not limited to a cylindrical shape, and for example, a semi-cylindrical shape or a hanger shape can be applied. Moreover, the aggregate removal means 140 is not limited to a cylindrical shape.
配管系160は、タンク110と塗布ヘッド130の供給口132とを連結しており、配管途中に、ポンプ162およびバルブ手段164が設けられている。 The piping system 160 connects the tank 110 and the supply port 132 of the coating head 130, and a pump 162 and a valve means 164 are provided in the middle of the piping.
ポンプ162は、電極触媒インク40を塗布ヘッド130の供給口132へ圧送するために使用される。ポンプ162は、例えば、スネークポンプ、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、チューブポンプである。バルブ手段164は、ポンプ162と塗布ヘッド130の供給口132との間の配管途中に配置されており、塗布ヘッド130に対する電極触媒インク40の供給量を調整するために使用される。 The pump 162 is used to pressure-feed the electrode catalyst ink 40 to the supply port 132 of the coating head 130. The pump 162 is, for example, a snake pump, a diaphragm pump, a gear pump, or a tube pump. The valve means 164 is disposed in the middle of the piping between the pump 162 and the supply port 132 of the coating head 130 and is used for adjusting the supply amount of the electrode catalyst ink 40 to the coating head 130.
配管系170は、電極触媒インク40を循環させるためのバイパス配管であり、ポンプ162とバルブ手段164との間に連結された一端、およびタンク110に連結された他端を有し、また、バルブ手段172が設けられている。バルブ手段172は、間欠塗布における塗布(吐出)を開始する際および塗布(吐出)を中止する際における塗布厚みを制御したり、塗布層42(および非塗布領域)の長さを調整したりするために使用される。 The piping system 170 is a bypass piping for circulating the electrode catalyst ink 40, and has one end connected between the pump 162 and the valve means 164 and the other end connected to the tank 110, and a valve Means 172 are provided. The valve means 172 controls application thickness when starting application (discharge) in intermittent application and stopping application (discharge), and adjusts the length of the application layer 42 (and non-application area). Used for.
制御部180は、例えば、プログラムにしたがって各部の制御や各種の演算処理を実行するマイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有しており、例えば、タンク110の電動機114、ポンプ162およびバルブ手段164,172を制御するために使用される。つまり、塗布装置100の各機能は、それに対応するプログラムを制御部180が実行することにより発揮される。 The control unit 180 includes a control circuit that includes, for example, a microprocessor that executes control of each unit and various arithmetic processes according to a program. For example, the motor 114 of the tank 110, the pump 162, and the valve unit 164 are provided. , 172 are used to control. That is, each function of the coating apparatus 100 is exhibited when the control unit 180 executes a program corresponding to the function.
次に、凝集体除去手段140を詳述する。 Next, the aggregate removal unit 140 will be described in detail.
図5は、図3に示される凝集体除去手段を説明するための斜視図、図6は、図4に示される外周面を説明するための拡大図である。 FIG. 5 is a perspective view for explaining the aggregate removing means shown in FIG. 3, and FIG. 6 is an enlarged view for explaining the outer peripheral surface shown in FIG.
凝集体除去手段140は、図5に示されるように、電極触媒インクに含まれる凝集体41を解砕するために設けられている。凝集体除去手段140は、塗布ヘッドにおける吐出口に連通しているマニホールド部の内部に配置されているため、凝集体41を除去された直後の電極触媒インクが、フィルム基材に塗布される。 As shown in FIG. 5, the aggregate removing means 140 is provided for crushing the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink. Aggregate removing means 140 is disposed inside the manifold portion that communicates with the discharge port of the coating head, so that the electrode catalyst ink immediately after the aggregate 41 is removed is applied to the film substrate.
そのため、凝集体41の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体41が新たに生成する(再凝集する)虞はない。したがって、フィルム基材に形成された電極触媒インクの塗布層を乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造装置を提供することが可能である。また、凝集体除去手段140は、塗布ヘッドに組み込まれるため、その他の設備に対する影響が抑制される。 Therefore, there is no possibility that the aggregate 41 is newly generated (reaggregated) between the removal of the aggregate 41 and the application of the electrode catalyst ink. Therefore, by drying the coating layer of the electrode catalyst ink formed on the film substrate, an electrode catalyst layer from which aggregates have been reliably removed can be obtained. That is, it is possible to provide a production apparatus for producing an electrode catalyst layer from which aggregates are sufficiently removed. Moreover, since the aggregate removal means 140 is incorporated in the coating head, the influence on other equipment is suppressed.
具体的には、凝集体除去手段140は、静的混合式の分散器からなり、図6に示されるように、メッシュからなる開口部143が形成された外周面142を有する。開口部143は、通過する電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体41を容易に解砕することが可能である。 Specifically, the agglomerate removing means 140 is composed of a static mixing type disperser and has an outer peripheral surface 142 in which an opening 143 made of mesh is formed, as shown in FIG. The opening 143 can easily crush the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink by applying a shearing force to the electrode catalyst ink that passes therethrough.
電極触媒インクは、高いチキソトロピー性を有するため、せん断力を付与することによって、粘度が大幅に低下し流動性が増加する。そのため、電極触媒インクの塗布時のレベリング性が向上し、塗布層の平滑度が増加する効果も有する。 Since the electrode catalyst ink has high thixotropy, applying a shear force significantly lowers the viscosity and increases the fluidity. Therefore, the leveling property at the time of application | coating of an electrode catalyst ink improves, and it has the effect that the smoothness of an application layer increases.
開口部143は、電極触媒インクに含まれる凝集体41を捕集するように構成することも可能である。この場合も、凝集体41を容易に除去できる。例えば、開口部143は、10μm以上の凝集体を捕集効率90%以上で捕集できること好ましく、5μm以上の凝集体を99%以上で捕集できることがより好ましい。 The opening 143 can also be configured to collect the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink. Also in this case, the aggregate 41 can be easily removed. For example, the opening 143 can collect aggregates of 10 μm or more at a collection efficiency of 90% or more, and more preferably can collect aggregates of 5 μm or more at 99% or more.
次に、塗布装置100が適用される塗布工程を説明する。 Next, a coating process to which the coating apparatus 100 is applied will be described.
まず、タンク110に保持されている電極触媒インク40をかき混ぜるために、電動機114が起動され、撹拌翼が先端に配置されているシャフト112が回転駆動される。 First, in order to stir the electrode catalyst ink 40 held in the tank 110, the electric motor 114 is activated, and the shaft 112 having the stirring blade disposed at the tip is rotationally driven.
電極触媒インク40を循環させるため、配管系160に配置されるバルブ手段164が「閉」に設定された後、バイパス配管である配管系170に配置されるバルブ手段172が「開」に設定され、配管系160に配置されるポンプ162が起動される。これにより、ポンプ162によってタンク110から圧送された電極触媒インク40は、配管系160に導入され、バイパス配管である配管系170を経由して、タンク110に戻される。 In order to circulate the electrode catalyst ink 40, after the valve means 164 arranged in the piping system 160 is set to “closed”, the valve means 172 arranged in the piping system 170 which is a bypass pipe is set to “open”. The pump 162 arranged in the piping system 160 is started. Thus, the electrode catalyst ink 40 pumped from the tank 110 by the pump 162 is introduced into the piping system 160 and returned to the tank 110 via the piping system 170 which is a bypass piping.
一方、バックロール120が回転駆動され、バックロール120の外側に配置されているフィルム基材90が搬送される。 On the other hand, the back roll 120 is rotationally driven, and the film substrate 90 disposed outside the back roll 120 is conveyed.
次に、配管系160に配置されるバルブ手段164が「開」に設定され、かつ、バルブ手段164の弁開度が調整される。また、同時に、バルブ手段172も弁開度が調整される。これにより、適量の電極触媒インク40が塗布ヘッド130の供給口132に供給される(図3参照)。 Next, the valve means 164 disposed in the piping system 160 is set to “open”, and the valve opening degree of the valve means 164 is adjusted. At the same time, the valve opening of the valve means 172 is adjusted. Thereby, an appropriate amount of the electrode catalyst ink 40 is supplied to the supply port 132 of the coating head 130 (see FIG. 3).
供給口132から導入される電極触媒インクは、マニホールド部134に導入される。 The electrode catalyst ink introduced from the supply port 132 is introduced into the manifold section 134.
マニホールド部134においては、電極触媒インク40が塗布幅方向Wに拡げられる際(図4参照)、凝集体除去手段140の外周面142の開口部143は、通過する電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体41を容易に解砕する。 In the manifold portion 134, when the electrode catalyst ink 40 is expanded in the coating width direction W (see FIG. 4), the opening 143 of the outer peripheral surface 142 of the aggregate removing means 140 imparts a shearing force to the passing electrode catalyst ink. By doing so, the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink is easily crushed.
マニホールド部134および凝集体除去手段140を通過した電極触媒インク40は、吐出口136から、フィルム基材90に向かって吐出され、電極触媒インク40の塗布層42が形成される。 The electrode catalyst ink 40 that has passed through the manifold portion 134 and the aggregate removing means 140 is discharged from the discharge port 136 toward the film base material 90, and the coating layer 42 of the electrode catalyst ink 40 is formed.
本塗布工程においては、上記のように、電極触媒インク40に含まれる凝集体41は、電極触媒インク40の吐出口136に連通するマニホールド部134の内部に配置される凝集体除去手段140によって除去されるため、凝集体41を除去された直後の電極触媒インク40が、吐出口136から塗布されることになる。 In the present coating step, as described above, the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink 40 is removed by the aggregate removing means 140 disposed inside the manifold portion 134 that communicates with the discharge port 136 of the electrode catalyst ink 40. Therefore, the electrode catalyst ink 40 immediately after the aggregate 41 is removed is applied from the discharge port 136.
そのため、凝集体41の除去後から電極触媒インク40の塗布までの間において凝集体41が新たに生成する(再凝集する)虞はない。したがって、フィルム基材90に形成された電極触媒インク40の塗布層42を乾燥することにより、凝集体41が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造するための製造方法を提供することが可能である。 Therefore, there is no possibility that the aggregate 41 is newly generated (reaggregated) between the removal of the aggregate 41 and the application of the electrode catalyst ink 40. Therefore, by drying the coating layer 42 of the electrode catalyst ink 40 formed on the film substrate 90, an electrode catalyst layer from which the aggregate 41 has been reliably removed can be obtained. That is, it is possible to provide a production method for producing an electrode catalyst layer from which aggregates are sufficiently removed.
なお、電極触媒インク40に含まれる凝集体41を捕集するように、開口部143を構成している場合、電極触媒インク40に含まれる凝集体41を容易に捕集することも可能である。 In addition, when the opening part 143 is configured to collect the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink 40, the aggregate 41 contained in the electrode catalyst ink 40 can be easily collected. .
次に、実施の形態1に係る変形例1〜5を順次説明する。 Next, modifications 1 to 5 according to the first embodiment will be sequentially described.
図7は、実施の形態1に係る変形例1を説明するための拡大図である。 FIG. 7 is an enlarged view for explaining a first modification according to the first embodiment.
凝集体除去手段140の外周面142は、メッシュからなる開口部143を有する形態に限定されない。例えば、図7に示されるように、穴開け加工によって形成された開口部143Aを有することも可能である。 The outer peripheral surface 142 of the aggregate removing means 140 is not limited to the form having the opening 143 made of mesh. For example, as shown in FIG. 7, it is also possible to have an opening 143A formed by drilling.
図8は、実施の形態1に係る変形例2を説明するための拡大図である。 FIG. 8 is an enlarged view for explaining a second modification according to the first embodiment.
開口部の形状は、矩形状(図6)や円形状(図7)に限定されず、例えば、図8に示される開口部143Bのように、細長いスリット状とすることも可能である。 The shape of the opening is not limited to a rectangular shape (FIG. 6) or a circular shape (FIG. 7), and may be a long and narrow slit shape, for example, like the opening 143B shown in FIG.
図9は、実施の形態1に係る変形例3を説明するための断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a third modification according to the first embodiment.
凝集体除去手段140は、静的混合式の分散器から構成される形態に限定されず、動的混合式を適用することも可能である。 The agglomerate removing means 140 is not limited to a configuration composed of a static mixing type disperser, and a dynamic mixing type can also be applied.
例えば、図9に示される凝集体除去手段140Aは、回転シャフト144、電動機146および粉砕メディア148を有する。回転シャフト144は、幅が狭い円柱状の回転子145が固定されている。電動機146は、回転シャフト144を駆動するために使用される。粉砕メディア148は、凝集体除去手段140Aの内部に充填されている。粉砕メディア148の充填量は、体積比10〜90%、より好ましくは50〜90%である。 For example, the aggregate removing unit 140 </ b> A illustrated in FIG. 9 includes a rotating shaft 144, an electric motor 146, and a grinding medium 148. A cylindrical rotor 145 having a narrow width is fixed to the rotating shaft 144. The electric motor 146 is used to drive the rotating shaft 144. The grinding media 148 is filled in the aggregate removing means 140A. The filling amount of the grinding media 148 is 10 to 90% by volume, more preferably 50 to 90%.
粉砕メディア148は、回転子145(回転シャフト144)の回転に従って回転運動するため、外周面142を通過して内部に導入された電極触媒インク40にせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体41を動的に解砕することが可能である。 Since the grinding media 148 rotates according to the rotation of the rotor 145 (rotating shaft 144), the shearing force is applied to the electrode catalyst ink 40 that has passed through the outer peripheral surface 142 and introduced into the electrode catalyst ink. It is possible to dynamically disintegrate the contained aggregate 41.
粉砕メディア148は、例えば、アルミナ、ジルコニア,窒化けい素である。粉砕メディア148のサイズは、φ0.03mm〜60mmが好ましく、φ0.1mm〜5mmがより好ましい。また、回転子145の駆動は、電動機146を利用する形態に限定されず、例えば、圧縮空気を利用することも可能である。 The grinding media 148 is, for example, alumina, zirconia, or silicon nitride. The size of the grinding media 148 is preferably φ0.03 mm to 60 mm, and more preferably φ0.1 mm to 5 mm. Further, the driving of the rotor 145 is not limited to the form using the electric motor 146, and for example, compressed air can be used.
図10は、実施の形態1に係る変形例4を説明するための断面図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a fourth modification according to the first embodiment.
回転シャフト144に固定される回転子145は、円柱状の形態に限定されず、例えば、図10に示されるように、ピンを立てた形状とすることも可能である。また、回転子145は、回転シャフト144と一体化したり、ガイドピンやイモネジ等を利用して回転シャフト144に固定したりすることも可能である。 The rotor 145 fixed to the rotating shaft 144 is not limited to a cylindrical shape, and for example, as shown in FIG. In addition, the rotor 145 can be integrated with the rotating shaft 144 or can be fixed to the rotating shaft 144 using a guide pin, a female screw, or the like.
以上のように、実施の形態1に係る製造装置および製造方法おいては、電極触媒インクに含まれる凝集体は、凝集体除去手段によって除去される。凝集体除去手段は、塗布ヘッドのマニホールド部の内部に配置されており、凝集体を除去された直後の電極触媒インクが塗布されるため、凝集体の除去後から電極触媒インクの塗布までの間において凝集体が新たに生成する(再凝集する)虞はない。したがって、フィルム基材に塗布された電極触媒インクを乾燥することにより、凝集体が確実に除去された電極触媒層が得られる。つまり、凝集体が十分に除去された電極触媒層を製造することが可能である。 As described above, in the production apparatus and production method according to Embodiment 1, the aggregates contained in the electrode catalyst ink are removed by the aggregate removal means. The agglomerate removing means is disposed inside the manifold portion of the coating head and applies the electrode catalyst ink immediately after the agglomerate is removed. In this case, there is no possibility that aggregates are newly generated (reaggregated). Therefore, by drying the electrode catalyst ink applied to the film substrate, an electrode catalyst layer from which aggregates have been reliably removed can be obtained. That is, it is possible to produce an electrode catalyst layer from which aggregates are sufficiently removed.
凝集体除去手段を、電極触媒インクが通過する開口部を有する分散器によって構成する場合、前記開口部によって電極触媒インクにせん断力を付与することで、電極触媒インクに含まれる凝集体を容易に解砕することが可能である。 When the agglomerate removing means is constituted by a disperser having an opening through which the electrode catalyst ink passes, the aggregate contained in the electrode catalyst ink can be easily obtained by applying a shearing force to the electrode catalyst ink through the opening. It can be crushed.
凝集体の除去は、電極触媒インクに含まれる凝集体を捕集するように、分散器の開口部を構成することによっても、達成することが可能である。 The removal of the agglomerates can also be achieved by configuring the opening of the disperser so as to collect the agglomerates contained in the electrocatalyst ink.
次に、実施の形態2を説明する。なお、以下において、実施形態1と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。 Next, a second embodiment will be described. In the following, members having the same functions as those in the first embodiment are denoted by similar reference numerals, and the description thereof is omitted to avoid duplication.
図11は、実施の形態2に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。 FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the second embodiment.
実施の形態2に係る電極触媒層製造装置である塗布装置100Aは、制御部180によって制御される温度調節手段を有する点で、実施の形態1に係る塗布装置100と概して異なる。 Coating apparatus 100A, which is an electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the second embodiment, is generally different from coating apparatus 100 according to the first embodiment in that it includes temperature adjusting means controlled by control unit 180.
実施の形態2に係る温度調節手段は、図11に示されるように、制御部180に接続された温度検出器150および温度調節部152を有する。温度検出器150は、例えば、測温抵抗体を有しており、塗布ヘッド130の内部温度を検出可能に構成されている。温度検出器150の検出データは、制御部180に送信される。温度調節部152は、例えば、ペルチェ素子を有しており、塗布ヘッド130から熱を吸収して温度を低下させ、また、熱を発生させて温度を上昇させるように構成されている。制御部180は、温度検出器150からの検出データに基づき温度調節部152をフィードバック制御することにより、塗布ヘッド130の内部温度を一定に調節する機能を有する。 As shown in FIG. 11, the temperature adjustment unit according to the second embodiment includes a temperature detector 150 and a temperature adjustment unit 152 connected to the control unit 180. The temperature detector 150 has, for example, a resistance temperature detector, and is configured to be able to detect the internal temperature of the coating head 130. Detection data of the temperature detector 150 is transmitted to the control unit 180. The temperature adjustment unit 152 has, for example, a Peltier element, and is configured to absorb heat from the coating head 130 to lower the temperature and generate heat to raise the temperature. The control unit 180 has a function of adjusting the internal temperature of the coating head 130 to be constant by performing feedback control of the temperature adjustment unit 152 based on detection data from the temperature detector 150.
例えば、凝集体除去手段140によって電極触媒インク40にせん断力を付与して、電極触媒インク40に含まれる凝集体を解砕しながら、電極触媒インク40の塗布を長時間続ける場合、塗布ヘッド130の温度が上昇する。これにより、電極触媒インク40の物性が経時的に変化することで、均一な塗布層(電極触媒層)を形成することが困難となる。そのため、塗布ヘッド130の内部温度を一定に調節している。 For example, in the case where application of the electrode catalyst ink 40 is continued for a long time while applying a shearing force to the electrode catalyst ink 40 by the aggregate removal means 140 and crushing the aggregates contained in the electrode catalyst ink 40, the coating head 130 is used. Temperature rises. As a result, the physical properties of the electrode catalyst ink 40 change over time, making it difficult to form a uniform coating layer (electrode catalyst layer). Therefore, the internal temperature of the coating head 130 is adjusted to be constant.
以上のように、実施の形態2においては、塗布ヘッドの内部温度を一定に調節することにより、塗布ヘッド(吐出口)から吐出される電極触媒インクの物性(温度)が、安定するため、長時間にわたって安定的に電極触媒インクを塗布すること、つまり、長時間にわたって均一な塗布層(電極触媒層)を形成することが可能である。 As described above, in Embodiment 2, the physical property (temperature) of the electrode catalyst ink discharged from the coating head (discharge port) is stabilized by adjusting the internal temperature of the coating head to be constant. It is possible to apply the electrode catalyst ink stably over time, that is, to form a uniform coating layer (electrode catalyst layer) over a long period of time.
温度検出器150は、測温抵抗体を利用する形態に限定されない。温度調節部152は、ペルチェ素子の代わりにジャケットを配置し、冷媒を循環させることで、温度調節することも可能である。 The temperature detector 150 is not limited to a form using a resistance temperature detector. The temperature adjustment unit 152 can also adjust the temperature by arranging a jacket instead of the Peltier element and circulating the refrigerant.
次に、実施の形態3を説明する。 Next, a third embodiment will be described.
図12は、実施の形態3に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図である。 FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the third embodiment.
実施の形態3に係る電極触媒層製造装置である塗布装置100Bは、制御部180によって制御される超音波解砕手段を有する点で、実施の形態1に係る塗布装置100と概して異なる。 Coating apparatus 100B, which is an electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to Embodiment 3, is generally different from coating apparatus 100 according to Embodiment 1 in that it has an ultrasonic crushing means controlled by control unit 180.
実施の形態3に係る超音波解砕手段は、マニホールド部134の内部に堆積している凝集体を超音波振動によって解砕するために使用され、図11に示されるように、制御部180に接続された圧力検出手段154および超音波振動付与手段156を有する。圧力検出手段154は、塗布ヘッド130の内部圧力を検出する圧力ゲージを有する。超音波振動付与手段156は、例えば、ピエゾ素子を利用する超音波振動子を有し、マニホールド部134に超音波振動を付与するため、塗布ヘッド130に取り付けられている。 The ultrasonic crushing means according to the third embodiment is used for crushing aggregates accumulated in the manifold portion 134 by ultrasonic vibration, and as shown in FIG. It has the pressure detection means 154 and the ultrasonic vibration provision means 156 which were connected. The pressure detection unit 154 includes a pressure gauge that detects the internal pressure of the coating head 130. The ultrasonic vibration applying unit 156 includes, for example, an ultrasonic vibrator that uses a piezoelectric element, and is attached to the coating head 130 in order to apply ultrasonic vibration to the manifold portion 134.
例えば、凝集体除去手段140の内部に凝集体が堆積すると、凝集体除去手段140が配置されているマニホールド部134の内部圧力が上昇し、マニホールド部134に連通する吐出口136からの電極触媒インク40の吐出量が不安定になる。そのため、制御部180は、塗布工程において、圧力検出手段154によって検出された塗布ヘッド130の内部圧力の上昇に基づき、マニホールド部134の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段156を作動させて、凝集体を解砕させる。したがって、凝集体が堆積しないため、塗布ヘッドを分解洗浄してない場合であっても、電極触媒インク40を安定的に吐出することが可能である。 For example, when aggregates are accumulated inside the aggregate removing unit 140, the internal pressure of the manifold part 134 in which the aggregate removing unit 140 is disposed increases, and the electrode catalyst ink from the discharge port 136 communicating with the manifold unit 134. The discharge amount of 40 becomes unstable. For this reason, in the coating process, when it is determined that the aggregates are accumulated in the manifold unit 134 based on the increase in the internal pressure of the coating head 130 detected by the pressure detection unit 154, the control unit 180 The sonic vibration providing means 156 is operated to break up the aggregate. Accordingly, aggregates do not accumulate, so that the electrode catalyst ink 40 can be stably ejected even when the coating head is not disassembled and washed.
以上のように、実施の形態3においては、塗布ヘッドを分解洗浄して凝集体を除去することが要求されず、塗布ヘッドの再組み付けに伴う調節時間が不要であり、材料ロスも生じない。なお、圧力の上昇値に応じて、超音波振動の強度(振幅)を制御することが好ましい。 As described above, in the third embodiment, it is not required to disassemble and wash the coating head to remove the aggregates, and no adjustment time is required for reassembling the coating head, and no material loss occurs. It is preferable to control the intensity (amplitude) of the ultrasonic vibration according to the pressure increase value.
次に、実施の形態4を説明する。 Next, a fourth embodiment will be described.
図13は、実施の形態4に係る電極触媒層製造装置を説明するための概略図、図14は、図13に示される電極触媒層製造装置における間欠塗布を説明するための平面図、図15は、間欠塗布における塗布動作および超音波振動付与動作を説明するためのタイミングチャートである。 FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to Embodiment 4, FIG. 14 is a plan view for explaining intermittent application in the electrode catalyst layer manufacturing apparatus shown in FIG. These are timing charts for explaining the application operation and the ultrasonic vibration applying operation in intermittent application.
実施の形態4に係る電極触媒層製造装置である塗布装置100Cは、超音波振動付与手段の制御タイミングに関し、実施の形態3に係る塗布装置100Bと概して異なる。 A coating apparatus 100C that is an electrode catalyst layer manufacturing apparatus according to the fourth embodiment is generally different from the coating apparatus 100B according to the third embodiment with respect to the control timing of the ultrasonic vibration applying means.
実施の形態4に係る超音波解砕手段は、図13に示されるように、制御部180に接続された超音波振動付与手段156を有するが、実施の形態3と異なり、圧力検出手段154を有しない。制御部180は、図14に示されるよう、電極触媒インク40の吐出を制御し、図14に示されるように、電極触媒インク40の塗布層42と非塗布領域92とを交互に形成するように構成されており、塗布制御手段としての機能を有する。 As shown in FIG. 13, the ultrasonic crushing unit according to the fourth embodiment includes an ultrasonic vibration applying unit 156 connected to the control unit 180, but unlike the third embodiment, the pressure detecting unit 154 is provided. I don't have it. The controller 180 controls the discharge of the electrode catalyst ink 40 as shown in FIG. 14, and alternately forms the coating layer 42 and the non-application region 92 of the electrode catalyst ink 40 as shown in FIG. It has a function as a coating control means.
塗布装置100Cは、塗布工程において、図15に示されるように、電極触媒インク40の吐出を制御して間欠塗布する際、電極触媒インク40の吐出が停止している間に、超音波振動付与手段156を作動させて塗布ヘッド130(マニホールド部134)に超音波振動を付与し、マニホールド部134の内部に堆積している凝集体を解砕させる。この場合、超音波振動は、電極触媒インク40の吐出が停止している間に実施されるため、電極触媒インク40の吐出(塗布)に対する干渉を避けることが可能である。 As shown in FIG. 15, the application apparatus 100 </ b> C applies ultrasonic vibration while the discharge of the electrode catalyst ink 40 is stopped when intermittently applying the electrode catalyst ink 40 by controlling the discharge of the electrode catalyst ink 40. The means 156 is operated to apply ultrasonic vibration to the coating head 130 (manifold part 134), and the aggregates accumulated in the manifold part 134 are crushed. In this case, since the ultrasonic vibration is performed while the discharge of the electrode catalyst ink 40 is stopped, interference with the discharge (application) of the electrode catalyst ink 40 can be avoided.
なお、電極触媒インクの吐出を停止させる際、電極触媒インク40の切れを向上させ、電極触媒インクの塗布層42と非塗布領域92(図14参照)との境界を明確にするため、サックバックを実行し、吐出している電極触媒インク40を瞬間的に塗布ヘッド130の内部に戻している。 When stopping the discharge of the electrode catalyst ink, in order to improve the breakage of the electrode catalyst ink 40 and clarify the boundary between the electrode catalyst ink coating layer 42 and the non-application region 92 (see FIG. 14), The discharged electrocatalyst ink 40 is instantaneously returned to the inside of the coating head 130.
サックバックは、電極触媒インク40を瞬間的に少し吸引するため、塗布ヘッド130の内部を短期間負圧にしている。具体的には、塗布ヘッド130への電極触媒インク40の供給を制御するバルブ手段164を「閉」に設定する直前に、電極触媒インク40の循環を制御するバルブ手段172を「開」に設定することにより、実施される。サックバックは、上記態様に限定されず、例えば、タンク110と塗布ヘッド130との間の配管系160に配置されるポンプ162を反転させたり、負圧源に連結されたサックバック専用のバルブ手段を設けたりすることによって実施することも可能である。 The suck back sucks the electrode catalyst ink 40 momentarily slightly, so that the inside of the coating head 130 is kept at a negative pressure for a short period of time. Specifically, the valve means 172 for controlling the circulation of the electrode catalyst ink 40 is set to “open” immediately before the valve means 164 for controlling the supply of the electrode catalyst ink 40 to the coating head 130 is set to “closed”. It is carried out by doing. The suck back is not limited to the above-described embodiment. For example, a valve means dedicated to suck back that reverses the pump 162 disposed in the piping system 160 between the tank 110 and the coating head 130 or is connected to a negative pressure source. It is also possible to implement by providing.
以上のように、実施の形態4においては、超音波振動は、電極触媒インクの吐出が停止している間に実施されるため、実施の形態3の場合と比較し、電極触媒インクの吐出(塗布)に対する干渉を避けることが可能である。 As described above, in the fourth embodiment, the ultrasonic vibration is performed while the discharge of the electrode catalyst ink is stopped. Therefore, compared with the case of the third embodiment, the discharge of the electrode catalyst ink ( It is possible to avoid interference with the application.
電極触媒インク40の吐出が停止している間において、超音波振動の強度(振幅)を変化させて、勾配を付けることも可能である。例えば、電極触媒インクの吐出を停止させた直後において最大の強度(振幅)を付与し、電極触媒インクの吐出再開に向けて、強度(振幅)が小さくなるように設定することも可能である。この場合、電極触媒インクの吐出再開時における超音波余韻が防止される。 While discharge of the electrode catalyst ink 40 is stopped, it is also possible to change the intensity (amplitude) of the ultrasonic vibration to give a gradient. For example, the maximum strength (amplitude) can be applied immediately after the discharge of the electrode catalyst ink is stopped, and the strength (amplitude) can be set to decrease toward the restart of the discharge of the electrode catalyst ink. In this case, ultrasonic lingering at the time of resuming discharge of the electrode catalyst ink is prevented.
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、実施の形態1の変形例1〜4を実施の形態2〜4に適用したり、実施の形態2と実施の形態3,4とを組み合わせたりすることも可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. For example, the first to fourth modifications of the first embodiment can be applied to the second to fourth embodiments, or the second embodiment and the third and fourth embodiments can be combined.
10 燃料電池単セル、
20 膜電極接合体、
30 高分子電解質膜、
40 電極触媒インク、
41 凝集体、
42 塗布層、
50,55 電極触媒層(電極)、
60 ガス拡散層基材、
70,75 ガス拡散層、
80,85 セパレータ、
82,87 リブ部、
84,89 ガス流路、
90 フィルム基材、
92 非塗布領域、
100,100A,100B,100C 塗布装置、
110 タンク
112 シャフト、
114 電動機、
120 バックロール、
130 塗布ヘッド、
132 供給口、
134 マニホールド部、
136 吐出口、
140,140A,140B 凝集体除去手段、
142 外周面、
143,143A,143B 開口部、
144 回転シャフト、
145 回転子、
146 電動機、
148 粉砕メディア、
150 温度検出器、
152 温度調節部、
154 圧力検出手段、
156 超音波振動付与手段、
160 配管系、
162 ポンプ、
164 バルブ手段、
170 配管系、
172 バルブ手段、
L 塗布方向、
W 塗布幅方向。
10 Fuel cell single cell,
20 Membrane electrode assembly,
30 Polymer electrolyte membrane,
40 electrode catalyst ink,
41 aggregates,
42 coating layer,
50, 55 Electrocatalyst layer (electrode),
60 gas diffusion layer substrate,
70,75 gas diffusion layer,
80,85 separator,
82,87 ribs,
84,89 gas flow path,
90 film substrate,
92 non-application area,
100, 100A, 100B, 100C coating device,
110 tank 112 shaft,
114 electric motor,
120 backroll,
130 coating head,
132 supply port,
134 Manifold part,
136 discharge port,
140, 140A, 140B Aggregate removing means,
142 outer peripheral surface,
143, 143A, 143B openings,
144 rotating shaft,
145 rotor,
146 electric motor,
148 grinding media,
150 temperature detector,
152 temperature control unit,
154 pressure detection means,
156 ultrasonic vibration applying means,
160 piping system,
162 pump,
164 valve means,
170 piping system,
172 valve means,
L application direction,
W Application width direction.
Claims (7)
凝集体を超音波振動によって解砕する超音波解砕手段と、を有し、
前記塗布ヘッドは、
前記電極触媒インクが供給される供給口、
前記供給口から導入される前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げるマニホールド部、
前記マニホールド部の内部に配置され、前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および/又は捕集する凝集体除去手段、および、
前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記フィルム基材に向かって吐出する吐出口を有し、
前記超音波解砕手段は、
前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段、および、
前記マニホールド部に前記超音波振動を付与する超音波振動付与手段を有し、
前記圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、前記凝集体は、前記超音波振動付与手段によって解砕される
ことを特徴とする電極触媒層の製造装置。 An application head for applying the electrode catalyst ink constituting the electrode catalyst layer to the film substrate;
An ultrasonic crushing means for crushing the aggregate by ultrasonic vibration,
The application head is
A supply port to which the electrode catalyst ink is supplied;
A manifold part that expands the electrode catalyst ink introduced from the supply port in the coating width direction;
An agglomerate removing means disposed inside the manifold portion for crushing and / or collecting agglomerates contained in the electrocatalyst ink; and
A discharge port for discharging the electrocatalyst ink that has passed through the manifold part and the aggregate removing means toward the film base;
The ultrasonic crushing means includes
Pressure detecting means for detecting the internal pressure of the coating head, and
An ultrasonic vibration applying means for applying the ultrasonic vibration to the manifold portion;
When it is determined that the aggregate is accumulated inside the manifold portion based on the increase in the internal pressure of the coating head detected by the pressure detection unit, the aggregate is detected by the ultrasonic vibration applying unit. An apparatus for producing an electrode catalyst layer, which is pulverized.
前記塗布工程において、
前記電極触媒インクを塗布ヘッドの供給口に供給し、
前記供給口から導入される前記電極触媒インクを前記塗布ヘッドのマニホールド部に導入し、
前記マニホールド部において、前記マニホールド部の内部に配置される凝集体除去手段によって前記電極触媒インクに含まれる凝集体を解砕および/又は捕集し、かつ、前記電極触媒インクを塗布幅方向に拡げ、
前記マニホールド部および前記凝集体除去手段を通過した前記電極触媒インクを、前記塗布ヘッドの吐出口から、前記フィルム基材に向かって吐出しており、かつ、
前記塗布ヘッドの内部圧力を検出する圧力検出手段によって検出された前記塗布ヘッドの内部圧力の上昇に基づき、前記マニホールド部の内部に凝集体が堆積していると判断される場合、超音波振動付与手段を作動させて前記マニホールド部に超音波振動を付与し、前記マニホールド部の内部に堆積している凝集体を解砕させる
ことを特徴とする電極触媒層の製造方法。 Having an application step of applying an electrode catalyst ink constituting an electrode catalyst layer to a film substrate;
In the coating step,
Supplying the electrode catalyst ink to the supply port of the coating head;
Introducing the electrocatalyst ink introduced from the supply port into the manifold portion of the coating head;
In the manifold section, aggregates contained in the electrode catalyst ink are crushed and / or collected by an aggregate removing means disposed inside the manifold section, and the electrode catalyst ink is spread in the coating width direction. ,
The electrode catalyst ink that has passed through the manifold part and the aggregate removing means is discharged from the discharge port of the coating head toward the film substrate, and
When it is determined that aggregates are accumulated in the manifold portion based on the increase in the internal pressure of the coating head detected by the pressure detecting means for detecting the internal pressure of the coating head, ultrasonic vibration is applied. A method for producing an electrode catalyst layer, comprising: actuating a means to apply ultrasonic vibration to the manifold portion to break up aggregates accumulated in the manifold portion.
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