JP7040470B2

JP7040470B2 - 塗工装置

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Publication number: JP7040470B2
Application number: JP2019009914A
Authority: JP
Inventors: 哲平池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: JP2020116522A

Description

本発明は、塗工装置に関し、特に塗工液を脱泡する塗工装置に関する。

塗工液を基材に塗工する際に、塗工液中に気泡が含まれると、塗工面の不均一又は塗工面にスジが入る不具合が発生してしまうので、塗工品の品質に影響を及ぼす。このため、基材に塗工する前に、塗工液を脱泡する（すなわち、塗工液に含まれる気泡を除去する）必要がある。

塗工液を脱泡するために、バッチ式脱泡機を用いた脱泡方法と連続式脱泡機を用いた脱泡方法が挙げられる。このうち、連続式脱泡機を用いた脱泡方法は、塗工液を送液しながら脱泡することができるので、生産速度のアップを図りやすく、特に注目されている。

特許文献１には、塗工液を貯蔵する貯蔵タンクと、塗工液を噴射するダイヘッドと、貯蔵タンクとダイヘッドとの間に配置された連続式脱泡機と、貯蔵タンクと連続式脱泡機との間に設けられた加熱部とを備える塗工装置が開示されている。このような構造を有する塗工装置では、連続式脱泡機の手前で加熱部を用いて塗工液の温度を上げることにより、塗工液を送液しながら塗工液の脱泡を促進させることができる。

特開２０００－２３７５０３号公報

しかし、上述の塗工装置では、塗工液を送液しながら脱泡することができる一方、連続式脱泡機に送液する前に塗工液を撹拌しても、温度を上げることにより分子運動が高速化して塗工液の凝集が発生してしまうので、却って塗工品の品質が悪くなる可能性がある。従って、送液しながら脱泡することと、塗工液の分散状態を維持することとを両立できない問題がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、塗工液を送液しながら連続的に脱泡することと、塗工液の分散状態を維持することとを両立できる塗工装置を提供することを目的とする。

本発明に係る塗工装置は、塗工液を撹拌する撹拌槽と、撹拌した塗工液を噴射するダイヘッドと、前記撹拌槽から塗工液を前記ダイヘッドに送液し、内径が１～４ｍｍである微細部を有する配管と、前記配管と連通する連通管を介して、前記微細部にエアを供給するエア供給部と、前記微細部と前記ダイヘッドとの間に配置され、塗工液とエアとの混合流体を静置する二相分離槽と、を備え、前記エア供給部により供給されるエアの流速をＶ１、前記撹拌槽から前記微細部に送液される塗工液の流速をＶ２としたとき、前記エア供給部は、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０となるように前記微細部にエアを供給することを特徴としている。

本発明に係る塗工装置では、エア供給部はＶ１／Ｖ２が５０～１５０となるように微細部にエアを供給するので、該微細部において塗工液が微細部の管壁部、気泡とエアが微細部の中央部をそれぞれ流れる環状流を発生させることができる。これによって、塗工液が微細部内を通過する際に脱泡できるので、塗工液を送液しながら連続的に脱泡することを実現できる。しかも、塗工液の温度を上げる必要がないので、塗工液の分散状態を維持することができる。その結果、塗工液を送液しながら連続的に脱泡することと、塗工液の分散状態を維持することとを両立できる。

本発明によれば、塗工液を送液しながら連続的に脱泡することと、塗工液の分散状態を維持することとを両立することができる。

実施形態に係る塗工装置の構造を示す概略模式図である。第２配管を流れる塗工液の脱泡状態を示すイメージ図であり、（ａ）は第２配管の横端面であり、（ｂ）は第２配管の縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る塗工装置の実施形態について説明する。以下の説明では、本発明の塗工装置を用いて電解質膜に触媒層を形成することにより燃料電池用電極を製造する例を挙げて説明するが、本発明の塗工装置は燃料電池用電極の製造に限定されない。

図１は実施形態に係る塗工装置の構造を示す概略模式図である。本実施形態の塗工装置１は、塗工液１０を撹拌する撹拌槽２と、撹拌した塗工液１０を噴射するダイヘッド３と、撹拌槽２から塗工液１０をダイヘッド３に送液する配管４と、配管４にエアを供給するエア供給部５と、撹拌槽２とダイヘッド３の間に設けられて塗工液１０とエアとの混合流体を静置する二相分離槽６と、を備えている。

撹拌槽２は、塗工液１０を収容する空間を有する撹拌槽本体２１と、撹拌槽本体２１の内部空間を密閉する密閉蓋２２と、撹拌槽本体２１の内部に収容される塗工液１０を撹拌する撹拌翼２３とを有する。

エア供給部５は、例えばコンプレッサ５１と、コンプレッサ５１を制御する制御部５２と、配管４と連通してコンプレッサ５１からのエアを配管４に供給する連通管５３とを有するように構成されている。なお、エア供給部５は、エアを供給することができればその構造が特に限定されず、例えばコンプレッサ５１に代えてエアポンプ等を用いても良い。

制御部５２は、例えば、演算を実行するＣＰＵ(Central processing unit)と、演算のためのプログラムを記録した二次記憶装置としてのＲＯＭ（Read only memory）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのＲＡＭ（Random access memory）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によってコンプレッサ５１の各動作等を制御する。例えば、この制御部５２は、コンプレッサ５１により供給されるエアの流速等をコントロールする。

配管４は、撹拌槽２及び二相分離槽６、二相分離槽６及びダイヘッド３をそれぞれ連結するチューブである。より具体的には、この配管４は、撹拌槽２とエア供給部５との間に配置される第１配管４１と、エア供給部５と二相分離槽６との間に配置される第２配管４２と、二相分離槽６とダイヘッド３との間に配置される第３配管４３とに分けられている。

図１に示すように、第１配管４１の一端は撹拌槽２の撹拌槽本体２１の底部と連通し、他端は第２配管４２及び連通管５３とそれぞれ連通している。第２配管４２は、特許請求の範囲に記載の「微細部」に相当しており、内部に微小流路を形成するようにマイクロチューブからなり、その内径は１～４ｍｍである。第２配管４２の一端は、第１配管４１及び連通管５３とそれぞれ連通し、他端は二相分離槽６の底部と連通している。第１配管４１、第２配管４２及び連通管５３は、Ｔ字管となっている。一方、第３配管４３の一端は、二相分離槽６の底部と連通し、他端はダイヘッド３と連通している。

配管４のうち、第２配管４２が上述したようにマイクロチューブからなるが、第１配管４１及び第３配管４３は、第２配管４２と同じ材料及び同じ内径を有するマイクロチューブによって形成されても良く、第２配管４２よりも太いチューブによって形成されても良い。特に、第３配管４３は、その内部を流れる塗工液１０が既に脱泡完了後の液であり、ダイヘッド３への送液速度を高めるために、第２配管４２よりも太いチューブによって形成されることが好ましい。

一方、第２配管４２の内径が小さくなるにつれ、生産速度が低下してしまう。生産速度のアップ等を考慮した場合、第１配管４１、第２配管４２及び第３配管４３を有する配管４には、複数本並列させたものが用いられている。図１において、配管４が１本しか描かれていないが、実際は複数本の配管４が紙面の奥行方向に沿って並列されている。

また、本実施形態において、エア供給部５により供給されるエアの流速をＶ１、撹拌槽２から第１配管４１を介して第２配管４２に送液される塗工液１０の流速をＶ２としたとき、エア供給部５は、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０となるように第２配管４２にエアを供給するように構成されている。

より具体的には、エア供給部５の制御部５２は、例えば、まず連通管５３に取り付けられた流量計（図示せず）から連通管５３を流れるエアの流量を取得し、コンプレッサ５１の圧力等に基づいて供給されるエアの流速Ｖ１を算出する。次に、制御部５２は、例えば第１配管４１に取り付けられた流量計（図示せず）から第１配管４１を流れる塗工液１０の流量を取得し、第１配管４１と第２配管４２との断面積比などに基づいて第２配管４２に送液される塗工液１０の流速Ｖ２を算出する。次に、制御部５２は、供給されるエアの流速Ｖ１と送液される塗工液１０の流速Ｖ２との比率（Ｖ１／Ｖ２）を算出し、更にその比率が５０～１５０となるようにコンプレッサ５１の動作を制御する。

以上のように構成された塗工装置１では、エア供給部５はＶ１／Ｖ２が５０～１５０となるように第２配管４２にエアを供給するので、内径が１～４ｍｍである第２配管４２で環状流を発生させることができる。すなわち、図２に示すように、塗工液１０が第２配管４２を流れる際に、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０となるようにエアが供給されると、塗工液１０が供給されたエア１１によって第２配管４２の管壁部に押し付けられ、管壁部に沿った環状液膜として流れる。一方、供給されたエア１１が第２配管４２の中央部を連続的に流れる。

そして、第２配管４２の管壁部が同じ材料によって形成された場合、供給されるエアの流速Ｖ１が速くなるほど該管壁部に形成される塗工液１０の液膜厚さ（以下、液膜厚さＤという）は小さくなる。これによって、塗工液１０に含まれた気泡のうち液膜厚さＤ以上の気泡が液膜から露出し、迅速に塗工液１０から抜け出しエア１１に移動することができるので、高速脱泡を実現することが可能になる。

なお、例えば第２配管４２の内径が１ｍｍであって、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０となるようにエア供給がされる場合、該第２配管４２における塗工液１０の液膜厚さは３０～８０μｍになる。

このように塗工液１０が第２配管４２内を通過する際に脱泡できるので、塗工液１０を送液しながら連続的に脱泡することを実現できる。しかも、従来のように塗工液１０の温度を上げる必要がないので、塗工液１０の分散状態を維持することができる。その結果、塗工液１０を送液しながら連続的に脱泡することと、塗工液１０の分散状態を維持することとを両立できる。

次に、上述の塗工装置１を用いた塗工方法について、燃料電池用電極の製造の例を挙げて説明する。以下の説明では、燃料電池用電極の製造に用いられる触媒インクが塗工液１０になるので、塗工液１０を触媒インク１０と呼ぶ場合がある。

燃料電池用電極は、既に周知されるように、主に、電解質膜と触媒層（電極触媒層ともいう）とを有する。その製造方法は、触媒調合工程と触媒塗工工程とを含む。

触媒調合工程では、まず、撹拌槽２の密閉蓋２２を取り外して、白金を担持させたカーボン材料（すなわち、触媒粉）、アイオノマー、溶媒、添加剤を所定の調合比率で撹拌槽本体２１の内部に加える。続いて、密閉蓋２２で撹拌槽本体２１の内部を密閉して、撹拌翼２３の撹拌で均一な触媒インク１０を作製する。続いて、図示しないポンプを利用して、撹拌槽２から触媒インク１０を所定の流量で第１配管４１を介して第２配管４２に送液する。

このとき、エア供給部５は、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０となるように連通管５３を介して第２配管４２にエアを供給する。そして、第２配管４２において、上述したように環状流が生じるので、触媒インク１０に含まれた気泡のうち液膜厚さＤ以上の気泡が液膜から露出し、触媒インク１０から迅速に抜け出しエア１１に移動する。これによって、触媒インク１０を送液しながら連続的且つ高速に脱泡することができる。そして、脱泡後の触媒インク１０が二相分離槽６を通過する際に、エア１１と脱泡後の触媒インク１０は分離する（図１参照）。

続いて、脱泡完了後の触媒インク１０は第３配管４３を介してダイヘッド３に送液される。

触媒塗工工程では、ダイヘッド３を介して事前に作製したロール状の電解質膜（図示せず）に、脱泡完了後の触媒インク１０を塗工する。続いて、触媒インク１０が塗工された電解質膜を乾燥炉（図示せず）に入れて、所定の温度で乾燥させる。その後、乾燥したものをロール状に巻き取れば、電解質膜と触媒層とを有する燃料電池用電極の製造が完了する。

上述の塗工装置１を用いた塗工方法によれば、塗工液１０を送液しながら連続的に脱泡することと、塗工液１０の分散状態を維持することとを両立することができる。また、このようにすれば、従来のバッチ式脱泡方法と比べて高速脱泡を実現できるので、脱泡時間を短縮することができ、生産速度のアップを図ることができる。しかも、製造される燃料電池用電極における気泡に起因する不良品の発生率を低減できるので、不良による高価な燃料電池用電極の廃棄を防止することができる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではない。

[実施例１及び２]
実施例１及び２では、上述の塗工装置１及び塗工方法を利用して燃料電池用電極を作製し、作製時における脱泡必要時間を測定し、更に作製された燃料電池用電極に対して気泡に起因する不良品発生率の評価を行った。実施例１と実施例２とは、用いられる第２配管の内径の大きさ及びＶ１／Ｖ２において異なるが、その他は同じである。

実施例１及び２では、電解質膜としてフッ素系電解質膜、触媒粉として白金担持カーボン、アイオノマーとしてプロトン伝導フッ素樹脂、溶媒としてアルコールをそれぞれ用いた。また、撹拌翼の撹拌回転数を５００～５０００ｒｐｍとし、塗工液の流速が０．１～１０ｍＬ／ｍｉｎであった。そして、実施例１では、第２配管に内径１ｍｍのＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）チューブを用い、Ｖ１／Ｖ２＝５０となるようにエアの供給が行われた。一方、実施例２では、第２配管に内径２．４ｍｍのＰＴＦＥチューブを用い、Ｖ１／Ｖ２＝１５０となるようにエアの供給が行われた。

[比較例]
また、比較のために、バッチ式脱泡機を有する塗工装置を用いて、実施例１及び２と同じ材料を利用して燃料電池用電極を作製し、実施例１及び２と同様に脱泡必要時間と気泡に起因する不良品発生率を調べた。

実施例１及び２、比較例における脱泡必要時間、気泡に起因する不良品発生率の結果を表１に示す。表１から、実施例１及び２は、比較例と比べて脱泡必要時間を短縮でき、気泡に起因する不良品発生率も低くなったことが分かる。これによって、本発明の塗工液を送液しながら連続的に脱泡することと塗工液の分散状態を維持することとを両立できることが示された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１塗工装置
２撹拌槽
３ダイヘッド
４配管
５エア供給部
６二相分離槽
１０塗工液
１１エア
２１撹拌槽本体
２２密閉蓋
２３撹拌翼
４１第１配管
４２第２配管（微細部）
４３第３配管
５１コンプレッサ
５２制御部
５３連通管

Claims

塗工液を撹拌する撹拌槽と、
撹拌した塗工液を噴射するダイヘッドと、
前記撹拌槽から塗工液を前記ダイヘッドに送液し、内径が１～４ｍｍである微細部を有する配管と、
前記配管と連通する連通管を介して、前記微細部にエアを供給するエア供給部と、
前記微細部と前記ダイヘッドとの間に配置され、塗工液とエアとの混合流体を静置する二相分離槽と、
を備え、
前記エア供給部により供給されるエアの流速をＶ１、前記撹拌槽から前記微細部に送液される塗工液の流速をＶ２としたとき、
前記エア供給部は、前記微細部において環状流を発生させるように、Ｖ１／Ｖ２が５０～１５０の比率で前記微細部にエアを供給することを特徴とする塗工装置。