JP6926855B2

JP6926855B2 - 塗工装置

Info

Publication number: JP6926855B2
Application number: JP2017171255A
Authority: JP
Inventors: 加藤　大典; 大典加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: JP2019046740A

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。

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。

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。

特開２０１４−０７９６６９号公報特開２０１７−０５４５８０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

燃料電池スタックの要部断面図である。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。（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。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。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。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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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（τ）と、前記ダイヘッドに対する前記ウェブの搬送速度（δｕ）と、前記触媒インクの粘性係数（μ）とから、τ＝μ・（δｕ／δｙ）を用いて、前記ウェブに対する前記触媒インクの塗工厚（δｙ）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。