(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には、エア１１を合流させるエア供給口５と、エア供給口５とダイヘッド３との間で塗工液１０とエア１１との混合物を静置する二相分離槽６とが設けられている。塗工液１０が配管４内を通過する際に、エア供給口５は開放されている。【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、
前記配管には、エアを合流させるエア供給口と、前記エア供給口と前記ダイヘッドとの間で塗工液とエアとの混合流体を静置する二相分離槽とが設けられ、
塗工液が前記配管内を通過する際に、前記エア供給口は開放されることを特徴とする塗工装置。
【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も、温度を上げることで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。
【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、前記配管には、エアを合流させるエア供給口と、前記エア供給口と前記ダイヘッドとの間で塗工液とエアとの混合流体を静置する二相分離槽とが設けられ、塗工液が前記配管内を通過する際に、前記エア供給口は開放されることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る塗工装置では、塗工液が配管内を通過する際にエア供給口は開放されるので、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。
【発明の効果】
【００１０】
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】
【００１１】
【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】並行二相流及び交互流を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
配管４には、エア１１を塗工液１０と合流させるエア供給口５と、エア供給口５とダイヘッド３との間で塗工液１０とエア１１との混合流体を静置する二相分離槽６とが設けられている。そして、配管４は、二相分離槽６を境にして、撹拌槽２と二相分離槽６とを連結する第１配管４１と、二相分離槽６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。
【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。エア供給口５は、第１配管４１と分岐接続された管によって形成されている。本実施形態において、エア供給口５は、塗工液１０が第１配管４１の内部を通過する際に外部に開放されるようになっている。
【００１６】
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、第１配管４１を流れる塗工液１０とエア１１との接触面積を大きくすることができるので、塗工液１０に含まれる気泡が迅速に塗工液１０から抜け出しエア１１に移動することができ、高速脱泡を実現することが可能になる。
【００１７】
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。塗工液１０とエア１１の接触面積の確保及び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。
【００１８】
なお、塗工液１０とエア１１の混合比率については、以下の理由で塗工液：エア＝１：１〜１：３であることが好ましい。すなわち、塗工液１０の比率が高くなると二相分離になり難く、一方、エアの比率が高くなると生産速度の低下を招いてしまう。上述の混合比率であれば、二相分離の確保と生産速度のアップとを両立することができる。
【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、塗工液１０が第１配管４１の内部を通過する際にエア供給口５は開放されるため、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】
このとき、上述の混合比率に基づき、エア供給口５を介して第１配管４１の内部にエア１１を供給する。これによって、第１配管４１に送り出された触媒インク１０は、エア供給口５から供給されたエア１１と合流する。触媒インク１０とエア１１との混合流体は、エア供給口５と二相分離槽６との間の第１配管４１を介して二相分離槽６に流れる。
【００２５】
ここでは、塗工液１０とエア１１との供給方式を変えることにより、第１配管４１を流れる塗工液１０及びエア１１の流動状態を並行二相流と交互流にすることができる。以下、図２を参照して詳細に説明する。
【００２６】
例えば、撹拌槽２から二相分離槽６に向かって塗工液１０を連続的に送り出しつつ、エア供給口５を介して第１配管４１にエア１１を連続的に供給する場合、図２（ａ）に示すように、第１配管４１において塗工液１０が下側、エア１１が上側に位置する並行二相流を形成することができる。一方、塗工液１０とエア１１を交互に送り出す場合、図２（ｂ）に示すように、第１配管４１において塗工液１０とエア１１とが交互に並べられる交互流を形成することができる。
【００２７】
これらのいずれの場合も、従来のバッチ式脱泡方法と比べて単位体積当たりの気液接触界面積を大きくすることができるので、図２の矢印に示すように、塗工液１０に含まれる気泡が迅速に塗工液１０から抜け出し、エア１１に移動することができる。これによって、高速脱泡を実現できるので、二相分離槽６を通過するときに、エア１１等の気体と塗工液１０とは、高速に分離することが可能になる。従って、二相分離槽６では、触媒インク１０とエア１１との混合流体を静置する時間を短縮することができる。
【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、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。そして、第１配管４１を流れる塗工液１０及びエア１１の流動状態を並行二相流又は交互流にすることで、従来のバッチ式脱泡方法と比べて単位体積当たりの気液接触界面積を大きくすることができるので、脱泡時間を短縮し、高速脱泡を実現することができる。これによって、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１配管の内径の大きさ及び第１配管を流れる触媒インクの流速において異なるが、その他は同じである。
【００３３】
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とした。そして、実施例１では、第１配管に内径１ｍｍのＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）チューブを用い、第１配管を流れる触媒インクの流速が０．１ｍＬ／ｍｉｎであった。一方、実施例２では、第１配管に内径５ｍｍのＰＴＦＥチューブを用い、第１配管を流れる触媒インクの流速が６ｍＬ／ｍｉｎであった。
【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。
【００３５】
【表１】
2020032342.tif 000003
【００３６】
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、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。
【００３７】
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】
【００３８】
１    塗工装置
２    撹拌槽
３    ダイヘッド
４    配管
５    エア供給口
６    二相分離槽
１０    塗工液（触媒インク）
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
【図１】
2020032342.tif 000004
【図２】
2020032342.tif 000005