特開 2019-147079 制御装置、制御方法、プログラム、及び電極触媒層形成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-147079(P2019-147079A)

(43)【公開日】2019年9月5日

(54)【発明の名称】制御装置、制御方法、プログラム、及び電極触媒層形成システム

(51)【国際特許分類】

   B05B 5/025 20060101AFI20190809BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20190809BHJP

   B05B 12/00 20180101ALI20190809BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20190809BHJP

【ＦＩ】

   B05B5/025 EZIT

   H01M4/88 K

   B05B12/00 Z

   H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-32235(P2018-32235)

(22)【出願日】2018年2月26日

(71)【出願人】

【識別番号】594119298

【氏名又は名称】株式会社メイコー

(71)【出願人】

【識別番号】304023994

【氏名又は名称】国立大学法人山梨大学

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100188156

【弁理士】

【氏名又は名称】望月 義時

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(72)【発明者】

【氏名】米山 詩麻夫

(72)【発明者】

【氏名】内田 誠

(72)【発明者】

【氏名】赤池 東

【テーマコード（参考）】

4F034

4F035

5H018

5H126

【Ｆターム（参考）】

4F034AA04

4F034BA01

4F034BB12

4F034BB15

4F034BB25

4F034BB28

4F035AA03

4F035BA22

4F035BB31

4F035BC05

5H018AA06

5H018BB08

5H126BB06

(57)【要約】

【課題】電極触媒層の性能を向上するためのエレクトロスプレー法の制御技術を提供する。
【解決手段】触媒インクを塗布するためのノズル２２に供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器２１の圧力を変更する圧力変更装置２５と、ノズル２２に印加する電圧を変更する電圧変更装置５０とを制御するための制御装置１００において、画像取得部１２１は、ノズル２２の端部の触媒インクの液滴を撮像した画像を取得する。認識部１２２は、液滴の形状が複数のパターンのいずれに該当するかを認識する。制御パラメータ取得部１２３は、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する。信号出力部１２４は、取得した制御パラメータに対応する制御信号を、圧力変更装置２５と、電圧変更装置５０とに出力する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するための制御装置であって、
前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得する画像取得部と、
前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する認識部と、
前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、
取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力する信号出力部と、
を備える制御装置。

【請求項2】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記複数のパターンに含まれる基本パターンに該当するまでの間、前記制御パラメータの取得を継続する、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記基本パターンと比較して膨らんだ形状を示す膨張パターンに該当する場合、前記絶縁性容器の内部の圧力を低くするとともに、前記ノズルに印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得する、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記基本パターンに対応する前記液滴の形状は、前記ノズルの端部を底辺とし、前記液滴が噴霧される方向に１つの頂点を持つ三角形状であり、
前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記基本パターンにおける頂点よりも前記底辺側に頂点を備える三角形を示す高さ不足パターンに該当する場合、前記ノズルに印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得する、
請求項２又は３に記載の制御装置。

【請求項5】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが、前記ノズルの端部を底辺とし、前記液滴が噴霧される方向に２以上の頂点を持つ分裂パターンに該当する場合、前記絶縁性容器の内部の圧力を高くすることを指示する制御パラメータを取得する、
請求項２から４のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項6】

前記ノズルは、導電性金属で作成された導電性ノズルである、
請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項7】

電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するための制御装置のプロセッサが、
前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得するステップと、
前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識するステップと、
前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得するステップと、
取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力するステップと、
を実行する制御方法。

【請求項8】

電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するためのコンピュータに、
前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得する機能と、
前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する機能と、
前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する機能と、
取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力する機能と、
を実現させるプログラム。

【請求項9】

電極触媒層の形成装置と前記形成装置における触媒インクの塗布を制御する制御装置とを備える電極触媒層形成システムであって、
前記形成装置は、
電極触媒層の形成に用いる触媒インクを密閉するための絶縁性容器と、
前記絶縁性容器の内部と連通し、前記触媒インクを塗布するためのノズルと、
制御信号に基づいて前記絶縁性容器の内部の圧力を変更するための圧力変更装置と、
制御信号に基づいて前記ノズルに印加する電圧を変更するための電圧変更装置と、
前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像するための撮像装置と、を備え、
前記形成装置は、
前記撮像装置が撮像した液滴の形状に基づいて前記圧力変更装置と前記電圧変更装置との少なくともいずれか一方の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記撮像装置が撮像した液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する認識部と、
前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、前記認識部が認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、
前記制御パラメータ取得部が取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と前記電圧変更装置との少なくともいずれか一方に出力する信号出力部と、
を備える電極触媒層形成システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は制御装置、制御方法、プログラム、及び電極触媒層形成システムに関し、特に、電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池、水電解の開発の重点項目の１として高価な電極触媒である白金の使用量の削減が求められている。白金の使用量削減は材料化学の観点から活発に行われているが、実際に電極触媒層を作製するプロセスの観点からの技術開発にはあまり目が向けられていないのが現状である。

【0003】

電極触媒層の形成に優れた可能性のある方法としてエレクトロスプレー法ないしはエレクトロスプレー堆積法に着目した研究も行われ、以下の報告がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Yun Wang、 Ken S. Chen, Jeffre Y. Mishler, Sung Chan Cho, Xavier Cordobes Adroher “A review of polymer electrolyte membrane fuel cells： Tec hnologyy applications, and needs on fundamental research” Applied Energy, Volume 88, Issue 4, April 2011, Pages 981--1007.

【非特許文献2】Wei Yuan, Yong Tang, Xiaojun Yang, Zhenping Wan “Porous meta l materials for polymer electrolyte membrane fuel cells ? A review” Applied Energy, Volume 94, June 2012, Pages 309--329.

【非特許文献3】Elliot Martin, Susan A. Shaheen, Timothy E. Lipman, Jeffre R. Lidicker “Behavioral response to hydrogen fuel cell vehicles and refueling: Results of California drive clinics” International Journal of Hydrogen Energy, Volume 34, Issue 20, October 2009, Pages 8670--8680.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電極触媒層は、均一に被覆されると、その電極触媒層を用いた燃料電池又は水電解の性能が向上することが知られている。しかしながら、上記の報告には形成手法に関してあまり具体的記述はなく、エレクトロスプレー法による電極触媒層の形成技術には改良の余地が多く残されている。

【0006】

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、電極触媒層の性能を向上するためのエレクトロスプレー法の制御技術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】

【0007】

本発明の第１の態様は、電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するための制御装置である。この制御装置は、前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得する画像取得部と、前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する認識部と、前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力する信号出力部と、を備える。

【0008】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記複数のパターンに含まれる基本パターンに該当するまでの間、前記制御パラメータの取得を継続してもよい。

【0009】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記基本パターンと比較して膨らんだ形状を示す膨張パターンに該当する場合、前記絶縁性容器の内部の圧力を低くするとともに、前記ノズルに印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得してもよい。

【0010】

前記基本パターンに対応する前記液滴の形状は、前記ノズルの端部を底辺とし、前記液滴が噴霧される方向に１つの頂点を持つ三角形状であり、前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが前記基本パターンにおける頂点よりも前記底辺側に頂点を備える三角形を示す高さ不足パターンに該当する場合、前記ノズルに印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得してもよい。

【0011】

前記制御パラメータ取得部は、前記認識部が認識したパターンが、前記ノズルの端部を底辺とし、前記液滴が噴霧される方向に２以上の頂点を持つ分裂パターンに該当する場合、前記絶縁性容器の内部の圧力を高くすることを指示する制御パラメータを取得してもよい。

【0012】

前記ノズルは、導電性金属で作成された導電性ノズルであってもよい。

【0013】

本発明の第２の態様は、制御方法である。この方法において、電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するための制御装置のプロセッサが、前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得するステップと、前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識するステップと、前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得するステップと、取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力するステップと、を実行する。

【0014】

本発明の第３の態様は、プログラムである。このプログラムは、電極触媒層の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズルに供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器の圧力を変更する圧力変更装置と、前記ノズルに印加する電圧を変更する電圧変更装置との動作を制御するためのコンピュータに、前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像した画像を取得する機能と、前記液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する機能と、前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する機能と、取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と、前記電圧変更装置と、の少なくともいずれか一方に出力する機能と、を実現させる。

【0015】

本発明の第４の態様は、電極触媒層の形成装置と前記形成装置における触媒インクの塗布を制御する制御装置とを備える電極触媒層形成システムである。このシステムにおいて、前記形成装置は、電極触媒層の形成に用いる触媒インクを密閉するための絶縁性容器と、前記絶縁性容器の内部と連通し、前記触媒インクを塗布するためのノズルと、制御信号に基づいて前記絶縁性容器の内部の圧力を変更するための圧力変更装置と、制御信号に基づいて前記ノズルに印加する電圧を変更するための電圧変更装置と、前記ノズルの端部に形成される前記触媒インクの液滴を撮像するための撮像装置と、を備える。また、前記形成装置は、前記撮像装置が撮像した液滴の形状に基づいて前記圧力変更装置と前記電圧変更装置との少なくともいずれか一方の動作を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記撮像装置が撮像した液滴の形状があらかじめ定められた複数のパターンのいずれに該当するかを認識する認識部と、前記複数のパターンそれぞれと、前記圧力と前記電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベースを参照して、前記認識部が認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、前記制御パラメータ取得部が取得した制御パラメータに対応する制御信号を、前記圧力変更装置と前記電圧変更装置との少なくともいずれか一方に出力する信号出力部と、を備える。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、電極触媒層の性能を向上するためのエレクトロスプレー法の制御技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態に係る電極触媒層形成システムの概要を説明するための図である。

【図2】エレクトロスプレー（ＥＳ）法による電極触媒層の形成装置を示す斜視図である。

【図3】実施の形態に係る制御装置の機能構成を模式的に示す図である。

【図4】ノズルの端部に形成される触媒インクの液滴の形状に関するパターンを模式的に示す図である。

【図5】絶縁性容器の大気圧との差圧及びノズルに印加する電圧と、触媒インクの形状パターンとの関係の一例を模式的に示す図である。

【図6】実施の形態に係る制御データベースのデータ構造を模式的に示す図である。

【図7】実施の形態に係る制御装置が実行する制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜実施の形態の概要＞
図１は、実施の形態に係る電極触媒層形成システムＳの概要を説明するための図である。図１を参照して、実施の形態の概要を述べる。

【0019】

実施の形態に係る電極触媒層形成システムＳは、エレクトロスプレー法を用いて触媒インクを塗布することにより電極触媒層を形成する。電極触媒層形成システムＳは、触媒インクを塗布して電極触媒層を形成するための形成装置１と、触媒インクを塗布する際のインク液滴の形状を制御するための制御装置１００とを備える。

【0020】

詳細は後述するが、形成装置１は、絶縁性容器２１に蓄えられた触媒インクをノズル２２を用いて導電性基板１２上に噴霧することにより、高分子電解質膜１３を形成する。ここで、ノズル２２は、導電性金属で作成された導電性ノズル、表面は絶縁性であるが、先端部近傍の内側に電極を有するノズル、及び先端部近傍の内側であって、内側側面に電気的に非接触の電極を有するノズルを含む。

【0021】

触媒インクは、金属製ゲート板１４に設けられた穴１５を通るように噴霧される。ここで、電極触媒層は燃料電池に用いられるが、高分子電解質膜１３が導電性基板１２の表面に均一かつその殆ど全表面に被覆されると、この電極触媒層を用いた燃料電池又は水電解の性能が向上することが知られている。

【0022】

本願の発明者は、ノズル２２の先端における触媒インクの液滴の形状が特定の基本形状である場合、高分子電解質膜１３が導電性基板１２の表面に均一に形成されることを見出した。また、ノズル２２の先端における触媒インクの液滴の形状は、ノズル２２の径、触媒インクの粘性、絶縁性容器２１内部の圧力と絶縁性容器２１外部の圧力（大気圧）との差圧、及びノズル２２と導電性基板１２との間の電位差等によって変化することも見出した。

【0023】

形成装置１は、ノズル２２に供給する触媒インクを密閉する絶縁性容器２１の圧力を変更するための圧力変更装置２５と、ノズル２２に印加する電圧を変更するための電圧変更装置５０と、高分子電解質膜１３の形成に用いる触媒インクを塗布するためのノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴を、ノズル２２の長軸に対して垂直な方向から撮像するための撮像装置３４を備えている。実施の形態に係る制御装置１００は、撮像装置３４が撮像した触媒インクの液滴の形状を判定し、触媒インクの液滴の形状が基本形状となるように、絶縁性容器２１の圧力及びノズル２２に印加する電圧を変更するための制御信号を圧力変更装置２５又は電圧変更装置５０に出力する。これにより、制御装置１００は、形成装置１が形成する高分子電解質膜１３の性能を向上することができる。

【0024】

＜形成装置１の構成＞
実施の形態に係る制御装置１００の説明に先立って、まず形成装置１の構成を説明する。

【0025】

図２は、エレクトロスプレー法による電極触媒層の形成装置１を示す斜視図であり、エレクトロスプレー法による電極触媒層の形成装置１の概略構成の例を示している。図示のとおり、水平面上に互いに直交するＸ軸（左右方向）とＹ軸（手前、奥行方向）をとり、鉛直上方にＺ軸（上下方向）をとる。

【0026】

手前にＸＹテーブル１１が、その奥方向にＸテーブル（Ｘ方向テーブル）１０が設けられている。ＸＹテーブル１１はその上に置かれた導電性基板１２をＸ方向及びＹ方向に移動させる。Ｘテーブル１０はその上にＸ方向に並んで鉛直に立設（固定）された２つの支柱３０と４０を一緒にＸ方向に移動させる。Ｘ方向テーブルの代わりに単なる基台を設け、ＸＹテーブル１１によりＸＹ方向スキャニングを実現してもよいし、ＸテーブルをＸＹテーブルに置換してこれによりＸＹスキャニングを実現してもよい。

【0027】

支柱３０の内部は空洞で案内路となっており、この案内路内に昇降体３１が昇降自在に設けられている。昇降体３１は上下動するのみで、回転も横方向移動もできない。昇降体３１の内部には雌ねじが形成され、この内部を上下方向に通るねじ軸３３が雌ねじにねじはめられている。ねじ軸３３はその上下部で支柱３０に回転自在に支持されている。ねじ軸３３は回転のみ許され、上下動しない。ねじ軸３３をモータのような回転駆動装置により回転させてもよいし、ハンドル等を設けて手動で回転させてもよい（いずれも図示略）。ねじ軸３３が回転することにより昇降体３１が上下動する。

【0028】

支柱４０も同じ昇降機構を有している。すなわち、支柱４０の内部は空洞で案内路となっており、この案内路内に昇降体４１が昇降自在に設けられている。昇降体４１は上下動するのみで、回転も横方向移動もできない。昇降体４１の内部には雌ねじが形成され、この内部を上下方向に通るねじ軸４３が雌ねじにねじはめられている。ねじ軸４３はその上下部で支柱４０に回転自在に支持されている。ねじ軸４３は回転のみ許され、上下動しない。ねじ軸４３をモータのような回転駆動装置により回転させてもよいし、ハンドル等を設けて手動で回転させてもよい（いずれも図示略）。ねじ軸４３が回転することにより昇降体４１が上下動する。

【0029】

昇降体３１には挟持具３２が取り付けられ、支柱３０の前面に上下方向に形成されたスリットを通って前方（ＸＹテーブル１１の方向）に延びている。この挟持具３２には絶縁性容器２１が着脱自在に保持される。絶縁性容器２１は絶縁体でつくられ、気密に密閉可能である。絶縁性容器２１の下面には、その内部と連通する金属製のノズル２２が着脱自在に取り付けられ、鉛直下方に向かっている。絶縁性容器２１内にはその内部の上部に空間が存在する程度に触媒インクが入れられる。該空間内には空気、その他の気体が存在する。支柱３０の前面には、ノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴を撮像するための撮像装置３４が備えられている。撮像装置３４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等、既知の固体撮像素子で実現できる。

【0030】

絶縁性容器２１の上面（蓋）にはその内部と連通するＹ字管２３が取り付けられている。Ｙ字管２３のー方の分岐管には圧力測定器２４が接続され、他方の分岐管には絶縁性容器２１の内部を減圧させて負圧にすることのできる圧力変更装置２５が接続されている。これらの圧力測定器２４と圧力変更装置２５とを挟持具３２又は支柱３０に取り付けてもよい。その場合には配管が短くてすむ。配管は差圧によって容易に変形しない硬質のものがよい。必要に応じて絶縁性容器２１には触媒インク供給管２６が設けられ、バルブ２７を介して触媒インク供給装置２８に接続される。圧力変更装置２５に圧力設定器を設け、圧力測定器２４による測定圧力をフィードバックし、圧力変更装置２５が絶縁性容器２１内の圧力を自動調節するようにしてもよい。

【0031】

昇降体４１に腕４２が固定され、この腕４２が、支柱４０の前側に上下方向に形成されたスリットを通って手前の方向に延び、その先に金属製ゲート板１４が固定されている。金属製ゲート板１４は水平であり、挟持具３２に保持された絶縁性容器２１に取り付けられたノズル２２の延長上（鉛直下方）に中心を持つ穴１５があけられている。

【0032】

Ｘ方向テーブル１０によってノズル付の絶縁性容器２１と金属製ゲート板１４とは一緒に平行移動する。

【0033】

エレクトロスプレーを行うときには、ノズル２２が電圧変更装置５０の正側出力端子に接続され、金属製ゲート板１４とＸＹテーブル１１上に置かれた導電性基板１２とが電圧変更装置５０のアース側子にそれぞれ接続される。電圧変更装置５０はその出力電圧の値を調整可能である。また、導電性基板１２上には触媒をエレクトロスプレーにより塗布すべき高分子電解質膜１３が置かれ、かつ固定される。ノズル２２と穴１５の中心と高分子電解質膜１３の中心をー致させることができる。また、ノズル２２は常に穴１５の中心に対応しているので、ノズル２２を金属製ゲート板１４とともにＸＹ方向に移動させ、高分子電解質膜１３の表面をその範囲でスキャニングすることも可能である。絶縁性容器２１と金属製ゲート板１４の高さ位置はねじ軸３３、４３の回転により調整可能であり、かつ任意の高さ位置に固定ねじ等の固定具で固定することができる。

【0034】

＜制御装置１００の機能構成＞
図３は、実施の形態に係る制御装置１００の機能構成を模式的に示す図である。制御装置１００は、記憶部１１０と制御部１２０とを備える。制御装置１００は、圧力変更装置２５と電圧変更装置５０との動作を制御するための制御装置である。

【0035】

記憶部１１０は、制御装置１００を実現するコンピュータのＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）や形成装置１の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを格納するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置である。

【0036】

制御部１２０は、制御装置１００のＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサであり、記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することによって画像取得部１２１、認識部１２２、制御パラメータ取得部１２３、及び信号出力部１２４として機能する。

【0037】

なお、図２は、制御装置１００が単一の装置で構成されている場合の例を示している。しかしながら、制御装置１００は、例えばクラウドコンピューティングシステムのように複数のプロセッサやメモリ等の計算リソースによって実現されてもよい。この場合、制御部１２０を構成する各部は、複数の異なるプロセッサの中の少なくともいずれかのプロセッサがプログラムを実行することによって実現される。

【0038】

画像取得部１２１は、撮像装置３４によって撮像されたノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴の画像を取得する。認識部１２２は、画像取得部１２１が取得した画像に撮像されている液滴の形状が、あらかじめ定められた複数のパターンのうちのいずれのパターンに該当するかを認識する。

【0039】

図４（ａ）−（ｄ）は、ノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴の形状に関するパターンを模式的に示す図である。具体的に、図４（ａ）−（ｄ）において、斜線で示す領域が撮像装置３４によって撮像された触媒インクの液滴の形状を示している。さらに具体的には、図４（ａ）は、触媒インクの形状の基本パターンを示す図である。ノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴の形状が基本パターンとなる場合、高分子電解質膜１３が導電性基板１２の表面に均一に形成される。図４（ａ）に示すように、基本パターンに対応する粒子の形状は、ノズル２２の端部を底辺とし、触媒インクの液滴が噴霧される方向に１つの頂点を持つ三角形状である。

【0040】

図４（ｂ）は、触媒インクの液滴形状の膨張パターンの一例を示す図である。図４（ｂ）に示すように、膨張パターンは、基本パターンと比較して膨らんだ形状となっている。
図４（ｃ）は、触媒インクの液滴形状の分裂パターンを示す図である。分裂パターンは、基本パターンと異なり、触媒インクの液滴が複数の頂点を持った形状となっている。

【0041】

図４（ｄ）は、触媒インクの液滴形状の高さ不足パターンを示す図である。高さ不足パターンは、基本パターンと同様に頂点を一つ持つ三角形状であるが、基本パターンよりも高さ方向が短いパターンである。

【0042】

認識部１２２は、画像取得部１２１が取得した画像を既知の画像認識技術を用いて解析することにより、まず画像の中から触媒インクの液滴が撮像されている領域を特定する。その後、認識部１２２は、液滴の長さ、ノズル２２の先端から所定の距離における液滴の幅、液滴の断面積、液滴の先端の数及びその角度を解析することで、触媒インクの形状がいずれのパターンに該当するかを認識する。

【0043】

制御パラメータ取得部１２３は、複数のパターンそれぞれと、絶縁性容器２１の圧力とノズル２２に印加する電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベース１１１を参照して、認識部１２２が認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する。

【0044】

図５は、絶縁性容器２１の大気圧との差圧及びノズル２２に印加する電圧と、触媒インクの形状パターンとの関係の一例を模式的に示す図である。具体的には、図５は、ノズル２２の内径が０．２５ミリメートルの場合の実験結果を示す図である。

【0045】

図５において、印加電圧がおよそ３．５［ｋＶ］以上となると、差圧の大きさに関わらず触媒インクの形状は膨張パターンとなった。また、印加電圧がおよそ２．７［ｋＶ］以下の場合、触媒インクがノズル２２から引き出されず、液滴が形成されなかった。印加電圧が２．７［ｋＶ］から３．５［ｋＶ］の範囲においても、差圧が大きくなると触媒インクが絶縁性容器２１に引き込まれ、液滴が形成されなかった。図５において、右上から左下に向かう斜線は、印加電圧が２．７［ｋＶ］から３．５［ｋＶ］の範囲において液滴が形成さなかった領域を示す。

【0046】

図５において、黒丸で示す領域は、触媒インクの液滴の形状が基本パターンとなる領域である。また、白丸で示す領域は、触媒インクの液滴の形状が不安定であり、主として基本形状を示しながらも他の３つのパターン（膨張パターン、分裂パターン、及び高さ不足パターン）を遷移する領域である。Ｘで示す領域は、触媒インクの液滴の形状が膨張パターンとなる領域である。さらに、三角で示す領域は、触媒インクの液滴の形状が分裂パターンとなる領域である。なお、分裂パターンは、絶縁性容器２１内の触媒インクの残量が少なくなったとき生じやすい傾向がある。

【0047】

制御パラメータ取得部１２３が取得する制御パラメータは、触媒インクの液滴の形状パターンが基本パターン以外のパターンの場合に、その液滴を基本パターンに近づけるための制御パラメータである。信号出力部１２４は、制御パラメータ取得部１２３が取得した制御パラメータに対応する制御信号を、圧力変更装置２５と圧力変更装置２５との少なくともいずれか一方に出力する。これにより、制御装置１００は、触媒インクの液滴の形状を基本形状に使づけることができる。結果として、制御装置１００は、導電性基板１２の表面に高分子電解質膜１３を均一に形成することができる。故に、制御装置１００は、エレクトロスプレー法で生成する電極触媒層の性能を向上することができる。

【0048】

図６は、実施の形態に係る制御データベース１１１のデータ構造を模式的に示す図である。制御データベース１１１は記憶部１１０に格納されており、制御パラメータ取得部１２３によって管理される。

【0049】

図５に示すように、基本パターンは、膨張パターンよりも印可電圧が高く、かつ絶縁性容器２１内部の圧力と大気圧との差が大きい（すなわち、絶縁性容器２１内部が大気圧よりも低圧）である。したがって、制御パラメータ取得部１２３は、認識部１２２が認識したパターンが基本パターンと比較して膨らんだ形状を示す膨張パターンに該当する場合、絶縁性容器２１の内部の圧力を低くするとともに、ノズル２２に印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得する。これにより、制御装置１００は、形状が膨張パターンとなっている液滴を基本形状に近づけることができる。

【0050】

図５に示すように、基本パターンは、分裂パターンよりも絶縁性容器２１内部の圧力と大気圧との差が小さい傾向にある。したがって、制御パラメータ取得部１２３は、認識部１２２が認識したパターンがノズル２２の端部を底辺とし、液滴が噴霧される方向に２以上の頂点を持つ分裂パターンに該当する場合、絶縁性容器２１の内部の圧力を高くすることを指示する制御パラメータを取得する。これにより、制御装置１００は、形状が分裂パターンとなっている液滴を基本形状に近づけることができる。

【0051】

上述したように、触媒インクの液滴の形状が不安定の場合、主として基本形状を示しながらも、液滴の形状は膨張パターン、分裂パターン、及び高さ不足パターンを遷移する。ここで、液滴の形状が高さ不足の場合、印可電圧を高くすることでノズル２２から導電性インクを引き出すことで高さ不足が解消されると考えられる。

【0052】

そこで、制御パラメータ取得部１２３は、認識部１２２が認識したパターンが基本パターンにおける頂点よりも底辺側に頂点を備える三角形を示す高さ不足パターンに該当する場合、ノズル２２に印加する電圧を高くすることを指示する制御パラメータを取得する。これにより、制御装置１００は、形状が高さ不足パターンとなっている液滴を基本形状に近づけることができる。

【0053】

ここで、制御パラメータ取得部１２３は、認識部１２２が認識したパターンが複数のパターンに含まれる基本パターンに該当するまでの間、制御パラメータの取得を継続してもよい。この場合、制御パラメータ取得部１２３は、液滴の形状の測定し、その形状に応じた制御パラメータを設定し、再び液滴の形状を測定するいわばフィードバック制御を実行することになる。これにより、制御パラメータ取得部１２３は、触媒インクの液滴の形状をより確実に基本形状に近づけることができる。

【0054】

＜制御装置１００が実行する制御処理の処理フロー＞
図７は、実施の形態に係る制御装置１００が実行する制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば制御装置１００が起動したときに開始する。

【0055】

画像取得部１２１は、撮像装置３４によって撮像されたノズル２２の端部に形成される触媒インクの液滴の画像を取得する（Ｓ２）。認識部１２２は、画像取得部１２１が取得した画像に撮像されている液滴の形状が、あらかじめ定められた複数のパターンのうちのいずれのパターンに該当するかを認識する（Ｓ４）。

【0056】

認識部１２２が認識したパターンが基本パターンでない場合（Ｓ６のＮｏ）、制御パラメータ取得部１２３は、複数のパターンそれぞれと、絶縁性容器２１の圧力とノズル２２に印加する電圧との少なくともいずれか一方の制御パラメータとが紐づけられた制御データベース１１１を参照して、認識部１２２が認識したパターンに紐づけられた制御パラメータを取得する（Ｓ８）。

【0057】

信号出力部１２４は、制御パラメータ取得部１２３が取得した制御パラメータに対応する制御信号を、圧力変更装置２５と、電圧変更装置５０と、の少なくともいずれか一方に出力し（Ｓ１０）、ステップＳ２の処理に戻る。

【0058】

認識部１２２が認識したパターンが基本パターンとなると（Ｓ６のＹｅｓ）、本フローチャートにおける処理は終了する。制御装置１００は、以上の処理を繰り返すことにより、圧力変更装置２５と電圧変更装置５０との動作の制御を継続する。

【0059】

＜実施の形態に係る制御装置１００が奏する効果＞
以上説明したように、実施の形態に係る制御装置１００によれば、電極触媒層の性能を向上するためのエレクトロスプレー法の制御技術を提供することができる。

【0060】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

【0061】

＜変形例＞
上記では、図５を参照して、絶縁性容器２１の大気圧との差圧及びノズル２２に印加する電圧と、触媒インクの形状パターンとの関係の一例を説明した。ここで、触媒インクの粘性とノズル２２の内径との少なくともいずれか一方のパラメータが変化すると、上記の関係は異なるものとなる。

【0062】

そこで、制御データベース１１１は、触媒インクの粘性とノズル２２の内径とのパラメータが異なる複数の組み合わせごとに、制御データベース１１１を保持するようにしてもよい。この場合、制御装置１００は、図示しない粘性取得部及び内径取得部を備え、触媒インクの粘性を示すパラメータとノズル２２の内径を示すパラメータを取得する。これにより、制御パラメータ取得部１２３は、触媒インクの粘性とノズル２２の内径とのいずれかのパラメータが異なる場合であっても、触媒インクの液滴の形状を基本形状に近づけることができる。

【符号の説明】

【0063】

１・・・形成装置
１０・・・Ｘテーブル
１１・・・ＸＹテーブル
１２・・・導電性基板
１３・・・高分子電解質膜
１４・・・金属製ゲート板
１５・・・穴
２１・・・絶縁性容器
２２・・・ノズル
２３・・・Ｙ字管
２４・・・圧力測定器
２５・・・圧力変更装置
２６・・・触媒インク供給管
２７・・・バルブ
２８・・・触媒インク供給装置
３０・・・支柱
３１・・・昇降体
３２・・・挟持具
３３・・・軸
３４・・・撮像装置
４０・・・支柱
４１・・・昇降体
４２・・・腕
４３・・・軸
５０・・・電圧変更装置
１００・・・制御装置
Ｓ・・・電極触媒層形成システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】