(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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とダイヘッド３とを連結する配管４とを備えている。配管４は螺旋管部４３を有する。螺旋管部４３とダイヘッド３との間には塗工液１０を静置する二相分離槽５が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記撹拌槽と前記ダイヘッドとを連結する配管と、を備える塗工装置であって、
前記配管は螺旋管部を有しており、
前記螺旋管部と前記ダイヘッドとの間には、塗工液を静置する二相分離槽が設けられていることを特徴とする塗工装置。
【請求項２】
前記螺旋管部は、該螺旋管部を流れる塗工液のディーン数が５００より大きく１０００より小さくなるように形成されている請求項１に記載の塗工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２３７５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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いても、加熱による温度の上昇で分子運動が高速化して塗工液の凝集が発生してしまい、却って塗工品の品質が悪くなる可能性がある。このため、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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、前記撹拌槽と前記ダイヘッドとを連結する配管と、を備える塗工装置であって、前記配管は螺旋管部を有しており、前記螺旋管部と前記ダイヘッドとの間には、塗工液を静置する二相分離槽が設けられていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る塗工装置では、配管は螺旋管部を有するので、塗工液が該螺旋管部を流れる際に遠心力を受けて回転流が発生する。これによって、塗工液に含まれる気泡が螺旋管部の中心軸側、塗工液が螺旋管部の管壁側にそれぞれ移動するため、塗工液を送液しながら連続的に脱泡することができる。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。
【００１０】
本実施形態に係る塗工装置において、前記螺旋管部は、該螺旋管部を流れる塗工液のディーン数が５００より大きく１０００より小さくなるように形成されていることが好ましい。このようにすれば、塗工液の回転流を形成しつつ、乱流の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２】螺旋管部を流れる塗工液の脱泡状態を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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、主に、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とダイヘッド３とを連結する配管４と、を備えている。また、撹拌槽２とダイヘッド３の間には、塗工液１０を静置する二相分離槽５が設けられている。二相分離槽５は、配管４によって撹拌槽２とダイヘッド３にそれぞれ連結されている。
【００１５】
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。
【００１６】
配管４は、二相分離槽５を境にして、撹拌槽２と二相分離槽５とを連結する第１配管４１と、二相分離槽５とダイヘッド３とを連結する第２配管４２とに分けられている。そして、第１配管４１の一部は、螺旋状に形成されており、螺旋管部４３となっている。
【００１７】
この螺旋管部４３を含む第１配管４１は、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る。その内径は５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以下であることがより好ましい。このようにすれば、塗工液１０に含まれる気泡が迅速に塗工液１０から抜け出すことができるので、高速脱泡を実現することが可能になる。
【００１８】
一方、第１配管４１の内径が小さくなるにつれ、生産速度が低下してしまう。生産速度のアップを考慮した場合、第１配管４１には、内径が５ｍｍ以下のマイクロチューブを複数本並列させたものが用いられている。図１において、第１配管４１が１本しか描かれていないが、実際は複数本の第１配管４１が紙面の奥行方向に沿って並列されている。
【００１９】
第２配管４２は、第１配管４１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いが、その内部を流れる塗工液１０が既に脱泡完了後の液体であるので、第１配管４１よりも太いチューブによって形成されても良い。
【００２０】
以上のように構成された塗工装置１では、配管４は螺旋管部４３を有するので、塗工液１０が該螺旋管部４３を流れる際に遠心力を受けて回転流が発生する。これによって塗工液に含まれる気泡が螺旋管部４３の中心軸側、塗工液１０が螺旋管部４３の管壁側にそれぞれ移動するため、塗工液１０を送液しながら連続的に脱泡することができる。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することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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に送り出す。
【００２４】
触媒インク１０が第１配管４１の螺旋管部４３を流れる際に、図２に示すように遠心力によって回転流が発生する。より具体的には、マイクロチューブからなる螺旋管部４３では、中心軸Ｌ付近の流体（ここでは、触媒インク及び気泡を含むもの）は、流速が速いため大きな遠心力を受け、管壁側に向かって流れが発生する。また、遠心力によって管壁側の圧力が高いので、流体は管壁側から中心軸Ｌ側に戻る（言い換えれば、圧力勾配に従って流体は管壁側から中心軸Ｌ側に戻る）。これを繰り返すことで回転流（ディーン流れともいう）が生じる。
【００２５】
回転流の場合、流体の回転状態は下記ディーン数Ｄｅに依存しており（式（１）参照）、ディーン数Ｄｅは大きいほど回転がかかる。
2020058976.tif 000003
式（１）において、δ＝ｒ／Ｒ、ｒは配管の半径であり、Ｒは螺旋管部の曲率半径である。
また、式（１）に示すＲｅはレイノルズ数であり、式（２）で求められている。
2020058976.tif 000004
式（２）において、ρは流体の密度、ｕは流体の流速、ｄは配管の直径、μは流体の粘度である。
【００２６】
本実施形態では、螺旋管部４３は、該螺旋管部４３を流れる触媒インク１０のディーン数Ｄｅが５００より大きく１０００より小さくなるように形成されることが好ましい。これは、ディーン数Ｄｅが５００以下になると回転流を形成することができず、ディーン数Ｄｅが１０００以上になると乱流が発生してしまい、いずれの場合も脱泡できなくなるからである。そして、触媒インク１０の回転流を形成しつつ、乱流の発生を防止するために、螺旋管部４３を流れる触媒インク１０のディーン数Ｄｅが５００より大きく１０００より小さくなるように螺旋管部４３の直径、曲率半径及び流速等を調整する必要がある。
【００２７】
図２に示すように、回転流が発生すると、触媒インク１０が螺旋管部４３の管壁側に移動し、触媒インク１０に含まれる気泡が螺旋管部４３の中心軸Ｌ側に移動して凝集する。これによって、触媒インク１０を送液しながら連続的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５を通過する際に、気泡中のエアと脱泡後の触媒インク１０は分離する（図１参照）。
【００２８】
続いて、脱泡完了後の触媒インク１０を第２配管４２を介してダイヘッド３に送り出す。
【００２９】
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。
【００３０】
上述の塗工装置１を用いた塗工方法によれば、触媒インク１０を送液しながら連続的に脱泡することと、触媒インク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。これによって、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することができるので、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。
【００３１】
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。
【００３２】
[実施例１及び実施例２]
実施例１及び実施例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は、用いられる螺旋管部の内径が異なるが、流速及び曲率半径は同じである。
【００３３】
実施例１及び実施例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とした。そして、実施例１の螺旋管部には内径１０ｍｍのＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）チューブ、実施例２の螺旋管部には内径２０ｍｍのＰＴＦＥチューブを用いた。また、生産速度を確保するために、これらのチューブの本数を増やして実施例１と実施例２を行った。
【００３４】
[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及び実施例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及び実施例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。
【００３５】
実施例１及び実施例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、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のが示された。
【００３６】
一方、実施例２の場合は、脱泡できない結果であった。これは、流動状態に乱れが発生し、回転流が消滅した原因であったと考えられる。従って、塗工液の回転流を形成しつつ乱流の発生を防止するためには、螺旋管部を流れる塗工液のディーン数Ｄｅを５００より大きく１０００より小さくすることが望ましい。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
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。
【符号の説明】
【００３９】
１    塗工装置
２    撹拌槽
３    ダイヘッド
４    配管
５    二相分離槽
１０    塗工液（触媒インク）
２１    撹拌槽本体
２２    密閉蓋
２３    撹拌翼
４１    第１配管
４２    第２配管
４３    螺旋管部
【図１】
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【図２】
2020058976.tif 000007