(57)【要約】【課題】アイオノマの供給を停止した際に、アイオノマがノズルの吐出口から垂れることを防止するアイオノマ供給装置を提供する。【解決手段】所定の分量となるように、燃料電池の触媒層用のアイオノマを供給するアイオノマ供給装置１は、アイオノマＡ１を供給するノズル１０を備えている。ノズル１０には、アイオノマＡ１が流下する方向に沿って形成され、アイオノマＡ１を流す第１流路１１と、第１流路１１からアイオノマを吐出する吐出口１２とが、形成されている。さらに、ノズル１０には、吐出口１２よりも上流側において、第１流路１１の上流に向かって、液体窒素Ｎが流れるように第１流路１１に接続され、液体窒素Ｎを流す第２流路１３がさらに形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の分量となるように、燃料電池の触媒層用のアイオノマを供給するアイオノマ供給装置であって、
前記アイオノマ供給装置は、前記アイオノマを供給するノズルを備えており、
前記ノズルには、前記アイオノマが流下する方向に沿って形成され、前記アイオノマを流す第１流路と、前記第１流路から前記アイオノマを吐出する吐出口とが形成されており、
前記ノズルには、前記吐出口よりも上流側において、前記第１流路の上流に向かって液体窒素が流れるように前記第１流路に接続され、前記液体窒素を流す第２流路がさらに形成されていることを特徴とするアイオノマ供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の触媒層用のアイオノマを供給するアイオノマ供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子型燃料電池には、固体高分子電解質膜（電解質膜）の両面に触媒層（電極）を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ）が使用されている。膜電極接合体を製造する際には、分散媒、アイオノマ、および触媒等を調合した触媒インクを電解質膜に塗工した後、これを乾燥することで、電解質膜に触媒層が形成される。触媒インクを調合する方法としては、例えば、特許文献１には、アイオノマと触媒とを混合して分散させる触媒インクの調合方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−４５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、触媒インクの調合方法では、アイオノマ、分散媒等を混合する際、自動計量により、これらを供給する供給装置を用いることがある。この供給装置で、たとえば、特許文献１に記載のアイオノマを自動計量した場合、アイオノマの供給量が所定の分量になったときに、アイオノマ供給装置による供給を停止する。
【０００５】
しかしながら、アイオノマは高粘度の液体であるため、アイオノマ供給装置でアイオノマの供給を停止しているにも拘わらず、供給装置のノズル内に残量したアイオノマが、その自重により流下し、ノズルの吐出口から糸が引いたように垂れることがある。
【０００６】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、アイオノマの供給を停止した際に、アイオノマがノズルの吐出口から垂れることを低減することができるアイオノマ供給装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を鑑みて、本発明に係るアイオノマ供給装置は、所定の分量となるように、燃料電池の触媒層用のアイオノマを供給するアイオノマ供給装置であって、前記アイオノマ供給装置は、前記アイオノマを供給するノズルを備えており、前記ノズルには、前記アイオノマが流下する方向に沿って形成され、前記アイオノマを流す第１流路と、前記第１流路から前記アイオノマを吐出する吐出口とが形成されており、前記ノズルには、前記吐出口よりも上流側において、前記第１流路の上流に向かって液体窒素が流れるように前記第１流路に接続され、前記液体窒素を流す第２流路がさらに形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のアイオノマ供給装置によれば、アイオノマを供給するノズルには、アイオノマが流れる第１流路が形成されているため、アイオノマの供給の停止の際に、第１流路にアイオノマが残留する。
【０００９】
しかしながら、本発明によれば、ノズルには、ノズルの吐出口よりも上流側において、第１流路の上流に向かって液体窒素が流れるように第２流路が第１流路に接続されている。したがって、第１流路に残留したアイオノマのうち、第２流路に接続される部分よりも上流側のアイオノマは液体窒素により凍結し、これが第１流路を一次的に閉塞する栓体として作用する。第２流路に接続される部分よりも下流側では、第１流路の壁面に付着したアイオノマが液体窒素により凍結するため、アイオノマが第１流路の壁面から垂れ落ちることを低減することができる。
【００１０】
このような結果、アイオノマの供給が所定の分量に到達した後、ノズル内に残留したアイオノマが流下して吐出口から垂れることを抑えることができる。この結果、高価なアイオノマの無駄な使用を抑えてコストも低減できる。なお、アイオノマの供給を再開する際には、凍結したアイオノマを、これよりも上流側の未凍結のアイオノマで押し出せばよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本実施形態に係るアイオノマ供給装置の系統図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すノズルを説明する拡大模式図である。
【図２】上図は、手動計量による触媒インクの原料の投入を説明する図であり、下図は、図１に示すアイオノマ供給装置を用いた触媒インクの原料の投入を説明する図である。
【図３】（ａ）は、図１（ｂ）に示す第２流路から第１流路へ液体窒素を流している状態を説明する図であり、（ｂ）は、凍結したアイオノマにより、図１（ｂ）に示す吐出口からアイオノマの垂れを防止している状態を説明する図である。
【図４】図１に示すアイオノマ供給装置によるアイオノマを供給する方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】比較例１のアイオノマ供給装置に係るノズルを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図１〜図４を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
【００１３】
本実施形態のアイオノマ供給装置１は、所定の分量となるように、燃料電池の触媒層用のアイオノマＡ１を供給する装置である。燃料電池の触媒層は、固体高分子型の燃料電池の電解質膜の両面に電極として積層されるものである。触媒層は、電解質膜の表面にアイオノマＡ１を含む触媒インクを塗工した後、これを乾燥することで形成される。
【００１４】
なお、本願の後述する明細書および図面において、アイオノマの符号「Ａ１」は、流動可能な状態のアイオノマ（未凍結状態のアイオノマ）を示しており、アイオノマの符号「Ａ２」は、凍結状態のアイオノマを示している。
【００１５】
上述した触媒インクを調合する際には、図２の上図に示す如く、触媒インクの原料となる、触媒、アイオノマＡ１、分散媒、および添加剤等を手動で計量した後、容器に投入することが一般的である。しかしながら、図２の下図に示す如く、これらの原料のうち、たとえば、アイオノマＡ１、分散媒、および添加剤を自動計量して容器７０に投入する場合には、供給装置が用いられる。図２の下図では、分散媒、添加剤を供給する各供給装置のノズル６、７を示しており、ノズル１０は、アイオノマＡ１を供給するアイオノマ供給装置１のノズルである。まず、本実施形態のアイオノマ供給装置１について説明し、次に、アイオノマ供給装置１を用いた触媒インクの調合方法について説明する。
【００１６】
１．アイオノマ供給装置１について
図１（ａ）に示すように、本実施形態のアイオノマ供給装置１は、タンク等の容器７０（図２参照）にアイオノマを供給するノズル１０を備えている。ノズル１０には、アイオノマＡ１を供給する系統３０と、液体窒素Ｎを供給する系統４０とが並列に接続されている。系統３０からのアイオノマＡ１と、系統４０からの液体窒素Ｎとは、ノズル１０で合流するようになっている。各系統３０、４０からのノズル１０へのアイオノマＡ１および液体窒素Ｎの供給は、制御部６０により制御される。
【００１７】
１−１．アイオノマＡ１を供給する系統３０について
アイオノマ供給装置１は、アイオノマＡ１を供給する系統３０において、アイオノマＡ１の流れる上流側から順に、アイオノマ供給源３１、第１ポンプ３２、第１調整弁３３、および第１流量計３４を備えている。
【００１８】
アイオノマ供給源３１は、アイオノマＡ１が収容されたタンク等の容器であり、アイオノマ供給源３１の下流には、第１ポンプ３２が配置されている。第１ポンプ３２は、アイオノマ供給源３１からのアイオノマＡ１を吸引し、ノズル１０がある下流側にアイオノマＡ１を圧送するポンプである。第１ポンプ３２の下流には、第１ポンプ３２から圧送されたアイオノマＡ１の圧力を調整する第１調整弁３３が配置されている。
【００１９】
さらに、第１調整弁３３の下流には、第１調整弁３３により調整されたアイオノマＡ１の搬送量を計測する第１流量計３４が配置されている。第１流量計３４を通過したアイオノマＡ１は、ノズル１０に流れるように、第１流量計３４はノズル１０に接続されている。
【００２０】
本実施形態では、制御部６０は、第１ポンプ３２および第１流量計３４に電気的に接続されている。制御部６０は、第１流量計３４で計測された流量の検出信号に基づいて、予め設定した所定の分量のアイオノマＡ１がノズル１０に供給されるように、第１ポンプ３２の起動・停止の制御信号を第１ポンプ３２に出力する。
【００２１】
１−２．液体窒素Ｎを供給する系統４０について
アイオノマ供給装置１は、液体窒素Ｎを供給する系統４０において、液体窒素Ｎの流れる上流側から順に、液体窒素供給源４１、第２ポンプ４２、第２調整弁４３、および第２流量計４４を備えている。
【００２２】
液体窒素供給源４１は、液体窒素Ｎが収容されたボンベ等の容器であり、液体窒素供給源４１の下流には、第２ポンプ４２が接続されている。第２ポンプ４２は、液体窒素供給源４１からの液体窒素Ｎを吸引し、ノズル１０がある下流側に液体窒素Ｎを圧送するポンプである。第２ポンプ４２の下流には、第２ポンプ４２から圧送された液体窒素Ｎの圧力を調整する第２調整弁４３が配置されている。
【００２３】
さらに、第２調整弁４３の下流には、第２調整弁４３により調整された液体窒素Ｎの搬送量を計測する第２流量計４４が配置されている。第２流量計４４を通過した液体窒素Ｎは、ノズル１０に流れるように、第２流量計４４はノズル１０に接続されている。
【００２４】
本実施形態では、制御部６０は、第２ポンプ４２および第２流量計４４に電気的に接続されている。制御部６０は、所定の条件で液体窒素Ｎがノズル１０に供給され、かつ、第２流量計４４で計測された流量の検出信号に基づいて、所定量の液体窒素Ｎがノズル１０に供給されるように、第２ポンプ４２の起動・停止の制御信号を第２ポンプ４２に出力する。
【００２５】
なお、本実施形態では、系統４０に第２流量計４４を設けたが、たとえば、後述するようにアイオノマＡ１を凍結させることができるのであれば、タイマなどで第２ポンプ４２の起動・停止のタイミングを制御部６０で制御してもよい。
【００２６】
１−３．制御部６０について
制御部６０は、ハードウェアとして、ＣＰＵ等の演算装置（図示せず）と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置（図示せず）と、を備えており、後述する図４に示す一連の制御フローを実行する装置である。記憶装置には、アイオノマＡ１の供給される所定の分量の数値等が記憶され、演算装置では、アイオノマＡ１の投入量が所定量に到達したか否かの判定処理等がなされる。
【００２７】
１−４．ノズル１０について
図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、ノズル１０にはアイオノマＡ１を流す第１流路１１と、第１流路１１からアイオノマＡ１を吐出する吐出口１２とが、形成されている。第１流路１１は、アイオノマＡ１を供給する系統３０に接続されている。第１流路１１は、アイオノマＡ１が流下する方向に形成されており、鉛直方向に沿って形成されていることが好ましい。このように構成することにより、系統３０から流れたアイオノマＡ１は、第１流路１１を通って、吐出口１２から容器７０に投入される（図２の下図を参照）。
【００２８】
さらに、ノズル１０には、吐出口１２よりも上流側において、第１流路１１の上流に向かって液体窒素Ｎが流れるように、第１流路１１に接続された第２流路１３が形成されている。第２流路１３は、液体窒素Ｎを流す流路である。第２流路１３は、液体窒素Ｎを供給する系統４０に接続されている。このように構成することで、系統４０から流れた液体窒素Ｎは、第２流路１３を通って、第１流路１１の上流に向かって一旦流れ込む。このため、後述するように第１流路１１を流下するアイオノマＡ１を凍結することができる（図３（ａ）、（ｂ）を参照）。
【００２９】
ここで、図１（ｂ）に示す、第１流路１１に対する第２流路１３の角度θ、すなわち、アイオノマＡ１の第１流路１１内を流下する方向に対する液体窒素Ｎの吹き付け角度θ（以下、吹き付け角度θ）は、１３０°〜１６０°が好ましい。この範囲にすることにより、第１流路１１を流下するアイオノマＡ１を凍結させることができる。
【００３０】
第１流路１１および第２流路１３の流路径は、アイオノマＡ１および液体窒素Ｎが流れることが可能であれば特に限定されず、例えば、１０〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００３１】
２．触媒インクの調合方法について
次に、図１に示すアイオノマ供給装置１を用いた触媒インクを調合する方法を説明する。
【００３２】
[材料投入工程]
触媒インクを調合する方法では、まず、材料投入工程を行う。この工程では、図１に示すアイオノマ供給装置１を用いて、アイオノマＡ１を容器７０（例えば、攪拌タンク）に投入する。これに加えて、所定の材料自動計量機を用いて、触媒、分散媒、および添加剤を容器７０にさらに投入する。
【００３３】
アイオノマＡ１としては、ナフィオン（登録商標）等のプロトン伝導性のフッ素系高分子樹脂を挙げることができる。触媒としては、白金等の触媒金属が担持されたカーボン（粉末）を挙げることができる。分散媒としては、水道水、イオン交換水、蒸留水等の水、または、シクロヘキサノール、メタノール、エタノール等のアルコールを挙げることができる。
【００３４】
図４を参照して、アイオノマＡ１の投入の際の本実施形態のアイオノマ供給装置１の制御フローを説明する。ステップＳ１では、材料投入開始として、制御部６０は、第１ポンプ３２を起動する。これにより、アイオノマＡ１は、所定の圧力に達すると、第１調整弁３３を通過し、第１流量計３４を介してノズル１０に流れ込む。アイオノマＡ１の流量は０．１〜０．５ｋｇ／分の範囲にあることが好ましい。
【００３５】
アイオノマＡ１は、ノズル１０の第１流路１１を流下し、吐出口１２から容器７０に供給される。第１流量計３４により検出したアイオノマＡ１の流量は、随時、制御部６０に送信される。次に、ステップＳ２へ進む。
【００３６】
ステップＳ２では、制御部６０は、第１流量計３４が検出した流量から、アイオノマＡ１の投入量が所定の分量に到達したか否かを判定する。制御部６０が、アイオノマＡ１の投入量が所定量に到達していないと判定する場合には、ステップＳ１へ戻る。一方、制御部６０が、アイオノマＡ１の投入量が所定量に到達したと判定する場合には、ステップＳ３へ進む。
【００３７】
ステップＳ３では、制御部６０は、第１ポンプ３２を停止する。これにより、容器７０へのアイオノマＡ１の投入動作を停止する。ステップＳ４では、制御部６０は、第２ポンプ４２を起動する。液体窒素Ｎが所定の圧力に到達すると、液体窒素Ｎは、第２調整弁４３を通過し、第２流量計４４を介してノズル１０に流れ込む。液体窒素Ｎの流速は、１０〜４０Ｌ／ｍｉｎ（気体状態）が好ましい。
【００３８】
図３（ａ）に示す如く、液体窒素Ｎは、第２流路１３を通過し、第１流路１１の上流に向かって流れる。これにより、第１流路１１を流下している残留したアイオノマＡ１が凍結し始める。次に、ステップＳ５へ進む。
【００３９】
ステップＳ５では、制御部６０は、第２流量計４４が検出した流量から、液体窒素Ｎが第１流路１１内のアイオノマＡ１を凍結可能な分量に到達したか否かを判定する。制御部６０が、液体窒素Ｎがその分量に到達していないと判定する場合には、ステップＳ４へ戻る。一方、制御部６０が、液体窒素Ｎがその分量に到達したと判定する場合には、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、制御部６０は、第２ポンプ４２を停止する。
【００４０】
ところで、アイオノマＡ１は高粘度な液体である。このため、第２流路１３を備えていない図５に示すノズル９０の場合、アイオノマＡ１の供給を停止しているにも拘わらず、ノズル９０の流路９１内に残量したアイオノマが、その自重により時間をかけて流下することがある。この結果、ノズル９０の吐出口９２から糸が引いたように垂れることがある。
【００４１】
しかしながら、本実施形態では、ノズル１０を用いることで、第１流路１１に残留したアイオノマＡ１のうち、第２流路１３に接続される部分よりも上流側のアイオノマＡ２が液体窒素により凍結する。凍結したアイオノマＡ２は、第１流路１１を一次的に閉塞する栓体として作用する。一方、第２流路１３に接続される部分よりも下流側では、第１流路１１の壁面に付着したアイオノマは液体窒素Ｎにより凍結するため、第１流路１１の壁面から垂れ落ちることはない。
【００４２】
このような結果、アイオノマＡ１の供給が所定の分量に到達した後、ノズル１０内に残留したアイオノマＡ２が流下して吐出口１２から垂れることを防止することができ、より正確な分量のアイオノマＡ１を容器７０に供給することができる。
【００４３】
アイオノマＡ１の投入を続ける場合には、ステップＳ１へ戻る。なお、この場合には、第１ポンプ３２の起動後、第１調整弁３３で調整されたアイオノマＡ１の圧力により、凍結したアイオノマＡ２は吐出口１２から押し出される。
【００４４】
[攪拌工程]
さらに、材料投入工程後、図２の下図のように、アイオノマＡ１とともに、容器７０に投入されたその他の原料に対して、以下に示す攪拌工程を行う。この工程では、アイオノマＡ１、触媒、分散媒、および添加剤が投入された容器７０を撹拌機に移し、投入された材料を十分に攪拌して混合物を調製する。
【００４５】
[脱泡工程]
次いで、脱泡工程を行う。この工程では、攪拌後の容器７０を脱泡機に移し、攪拌により発生した気泡を混合物から除去する。このようにして、触媒インクを調合する。
【実施例】
【００４６】
以下に本発明を実施例により説明する。
＜実施例１＞
図１（ａ）、（ｂ）に示すアイオノマ供給装置を用いて、上述した材料投入工程を行って、ノズルからのアイオノマ垂れ必要時間を測定した。ここで、図１（ｂ）に示すノズル１０の吹き付け角度θは１３０°であり、第１および第２流路１１、１３の径は１５ｍｍである。アイオノマ垂れ必要時間は、アイオノマの供給停止のタイミングから、アイオノマが、ノズルの吐出口から切れるまでの時間である。実施例１の場合には、アイオノマ垂れ必要時間は２０秒であった。
【００４７】
＜実施例２＞
実施例１と同じようにアイオノマ垂れ必要時間を測定した。実施例２が実施例１と相違する点は、吹き付け角度θが１６０°である点である。実施例２の場合には、アイオノマ垂れ必要時間は１８秒であった。
【００４８】
＜比較例１＞
実施例１と同じようにアイオノマ垂れ必要時間を測定した。比較例１が実施例１と相違する点は、図５に示すノズル９０を用いた点であり、液体窒素を用いていない点である。比較例１の場合には、アイオノマ垂れ必要時間は１分であった。
【００４９】
以上の結果から、実施例１、２の場合には、アイオノマの供給停止とともに、第２流路から液体窒素を流すことにより、第１流路内に残留したアイオノマが流下して吐出口から垂れることを低減できたと言える。これは、液体窒素の吹き付けにより、第１流路を流下している残留アイオノマを凍結させ、凍結したアイオノマにより、第１流路を一次的に閉塞することができたからであると考えられる。また、液体窒素の吹き付け角度θは１３０°〜１６０°が好ましい。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記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】
【００５１】
１：アイオノマ供給装置、１０：ノズル、１１：第１流路、１２：吐出口、１３：第２流路、Ａ１、Ａ２：アイオノマ、Ｎ：液体窒素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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