(57)【要約】【課題】樹脂層付き多孔質基材の樹脂層の焼結時間を短縮し、装置の大型化を回避するための樹脂層付き多孔質基材の製造装置を提供する。【解決手段】多孔質基材２６と多孔質基材２６の一方の面に形成された樹脂層とを備える樹脂層付き多孔質基材の製造装置は、少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜２５を形成する塗工手段と、樹脂膜２５を乾燥させて、樹脂層を形成する乾燥手段とを備え、乾燥手段が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる焼結乾燥手段２９を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質基材と前記多孔質基材の一方の面に形成された樹脂層とを備える樹脂層付き多孔質基材の製造装置であって、
少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、前記多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する塗工手段と、
前記樹脂膜を乾燥させて、前記樹脂層を形成する乾燥手段とを備え、
前記乾燥手段が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる手段を含むことを特徴とする樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項２】
前記樹脂液が、カーボン粒子、撥水性の樹脂チップおよび溶媒からなる懸濁液であり、前記多孔質基材が、カーボンペーパーであることを特徴とする請求項１に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項３】
前記樹脂層の表面粗さＲａが、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項４】
前記多孔質基材が、ロール状の形態であり、前記多孔質基材を巻取る機構と巻出す機構とを具備し、前記多孔質基材を搬送しながらパルス光を連続的に照射して前記樹脂膜を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項５】
前記乾燥手段が、さらに減圧乾燥により乾燥させる手段を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項６】
前記乾燥手段が、さらにヒーターにより乾燥させる手段を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造装置。
【請求項７】
多孔質基材と前記多孔質基材の一方の面に形成された樹脂層とを備える樹脂層付き多孔質基材の製造方法であって、
少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、前記多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する塗工工程と、
前記樹脂膜を乾燥させて、前記樹脂層を形成する乾燥工程とを備え、
前記乾燥工程が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程を含むことを特徴とする樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【請求項８】
前記樹脂液が、カーボン粒子、撥水性の樹脂チップおよび溶媒からなる懸濁液であり、前記多孔質基材が、カーボンペーパーであることを特徴とする請求項７に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【請求項９】
前記樹脂層の表面粗さＲａが、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【請求項１０】
前記多孔質基材が、ロール状の形態であり、前記多孔質基材を巻取る機構と巻出す機構とを具備し、前記多孔質基材を搬送しながらパルス光を連続的に照射して樹脂膜を加熱することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【請求項１１】
前記乾燥工程が、さらに減圧乾燥により乾燥させる工程を含み、前記減圧乾燥により乾燥させる工程が、前記塗工工程と前記パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程との間に備えることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【請求項１２】
前記乾燥工程が、さらにヒーターにより乾燥させる工程を含み、前記ヒーターにより乾燥させる工程が、前記塗工工程と前記パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程との間に備えることを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の樹脂層付き多孔質基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂層付き多孔質基材の製造装置および樹脂層付き多孔質基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上に形成された樹脂層を加熱して硬化する場合、通常、基材をＩＲヒーターや熱風循環式ヒーターなどにより加熱して硬化している。また、基材上に形成された無機層を焼結する場合、連続した焼結炉を用いて高温で長時間加熱して焼結している。
【０００３】
ここで、基材を連続した焼結炉を用いて高温で長時間加熱する場合の例として、固体高分子形燃料電池を構成するガス拡散層の製造方法が挙げられる。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、その両面に高分子電解質膜を挟んで互いに向い合う一対の電極触媒層が配置されている。そして、一対の電極触媒層には、それぞれ、高分子電解質膜と対向する面と反対側の面に、高分子電解質膜及び一対の電極触媒層を挟んで互いに向い合う一対のガス拡散層が配置されている。
【０００５】
固体高分子形燃料電池のガス拡散層とは、単電池を構成する部材であり、導電性の多孔質基材からなる。ガス拡散層は、セパレーターからの燃料および空気の触媒層への均一拡散、電気および熱伝導、反応によって生成される水を適切に排出および保持を行う役割があり、これらを効率良く行う為の諸特性が必要とされる。
【０００６】
固体高分子形燃料電池は、水排出能力が不足すると、反応による生成水の発生による電解質膜近傍での水分が過多となり、反応ガスの拡散を阻害したり（フラッディング）、水滴がセパレーター流路を閉塞して反応ガスの流動を妨げたり（プラッキング）することで、電池性能の劣化が起こる。また、水保持能力が不足すると、アノード側からカソード側へのプロトン伝導の際に必要な水が不足し（ドライアウト）、電池性能の劣化が起こる。このため、ガス拡散層に適切な水管理能力を付与することは、優れた電池性能を保持する上で特に重要である。そこで、さらに水管理能力を向上させるために、多孔質基材の表面にＭＰＬ（Ｍｉｃｒｏ  ｐｏｒｏｕｓ  ｌａｙｅｒ）と呼ばれる、より微細な構造の多孔質な樹脂層を形成させる必要がある。
【０００７】
多孔質基材の表面にＭＰＬを形成する方法として、例えば、特許文献１には、ＭＰＬシート形成用インクを用意し、次いで、ＭＰＬインクを厚さ２５μｍのポリイミドフィルムから構成される耐熱性保持シート上に塗布し、これを８０℃で乾燥した後、３３０℃で焼結を行なうことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１７２９９３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、焼結温度は、一般的に２００℃以上が必要とされ、場合によっては１０００℃以上で焼結させることもあり、焼結時間も数時間に及ぶ。したがって、ガス拡散層の製造に時間がかかり、焼結炉も大型化するという課題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するものであり、多孔質基材の表面にＭＰＬを形成する際のＭＰＬの焼結において、その焼結時間を短縮し、装置の大型化を回避することを目的とした樹脂層付き多孔質基材の製造装置および樹脂層付き多孔質基材の製造方法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】
【００１１】
上記の課題を解決するための手段として、本発明の一態様は、多孔質基材と多孔質基材の一方の面に形成された樹脂層とを備える樹脂層付き多孔質基材の製造装置であって、少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する塗工手段と、樹脂膜を乾燥させて、樹脂層を形成する乾燥手段とを備え、乾燥手段が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる手段を含むことを特徴とする樹脂層付き多孔質基材の製造装置である。
【００１２】
また、本発明の一態様において、樹脂液がカーボン粒子、撥水性の樹脂チップおよび溶媒からなる懸濁液であり、多孔質基材がカーボンペーパーであってもよい。
【００１３】
また、本発明の一態様において、樹脂層の表面粗さＲａが０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であってもよい。
【００１４】
また、本発明の一態様において、多孔質基材がロール状の形態であり、多孔質基材を巻取る機構と巻出す機構とを具備し、多孔質基材を搬送しながらパルス光を連続的に照射して樹脂膜を加熱してもよい。
【００１５】
また、本発明の一態様において、乾燥手段が、さらに減圧乾燥により乾燥させる手段を含んでもよい。
【００１６】
また、本発明の一態様において、乾燥手段が、さらにヒーターにより乾燥させる手段を含んでもよい。
【００１７】
また、本発明の別の態様は、多孔質基材と多孔質基材の一方の面に形成された樹脂層とを備える樹脂層付き多孔質基材の製造方法であって、少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する塗工工程と、樹脂膜を乾燥させて、樹脂層を形成する乾燥工程とを備え、乾燥工程が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程を含むことを特徴とする樹脂層付き多孔質基材の製造方法である。
【００１８】
また、本発明の別の態様において、樹脂液がカーボン粒子、撥水性の樹脂チップおよび溶媒からなる懸濁液であり、多孔質基材がカーボンペーパーであってもよい。
【００１９】
また、本発明の別の態様において、樹脂層の表面粗さＲａが０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であってもよい。
【００２０】
また、本発明の別の態様において、多孔質基材がロール状の形態であり、多孔質基材を巻取る機構と巻出す機構とを具備し、多孔質基材を搬送しながらパルス光を連続的に照射して樹脂膜を加熱してもよい。
【００２１】
また、本発明の別の態様において、乾燥工程が、さらに減圧乾燥により乾燥させる工程を含み、減圧乾燥により乾燥させる工程が、塗工工程とパルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程との間に備えてもよい。
【００２２】
また、本発明の別の態様において、乾燥工程が、さらにヒーターにより乾燥させる工程を含み、ヒーターにより乾燥させる工程が、塗工工程とパルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程との間に備えてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、多孔質基材の表面に樹脂層を形成する際の樹脂の乾燥および焼結において、その乾燥および焼結の時間を短縮し、乾燥および焼結するための装置の大型化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の構成を示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の製造装置の概要を示した上面図である。
【図３】本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の製造装置の概要を示した側面図である。
【図４】固体高分子形燃料電池の構成を示した分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明における樹脂層付き多孔質基材の製造方法および製造装置について、実施形態に沿って説明する。
【００２６】
（樹脂層付き多孔質基材について）
図１は、本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の構成を示した断面図である。図１に示すように、樹脂層付き多孔質基材１０は、多孔質基材１１と、多孔質基材１１の一方の面に形成された樹脂層１２とから構成される。多孔質基材１１は、内部に空隙を有する基材であり、樹脂層１２は、多孔質基材１１に比べて内部の空隙の割合が小さい層である。樹脂層付き多孔質基材１０は、その内部の空隙により、気体や液体の拡散の程度を調整する機能を備える。樹脂層付き多孔質基材１０は、例えば、後述する固体高分子形燃料電池のガス拡散層として用いることができる。
【００２７】
多孔質基材１１の材質としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いることができる。具体的には、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などの多孔質なカーボン材を用いることができる。中でも、多孔質基材１１の材質としては、カーボンペーパーを用いることが好ましい。
【００２８】
樹脂層１２は、少なくともカーボン粒子と樹脂とから構成される。樹脂としては、撥水性を有する樹脂を用いることが好ましい。具体的には、フッ素系の樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂が好ましい。また、樹脂層１２に含まれる樹脂は、例えば、チップ形状の樹脂であってもよい。樹脂がチップ形状の場合、その大きさは、特に限定するものではないが、５０μｍ以上１０００μｍ以下程度が好ましい。
【００２９】
（樹脂層付き多孔質基材の製造装置について）
図２は、本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の製造装置の概要を示した上面図である。また、図３は、本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の製造装置の概要を示した側面図である。図２および３に示すように、樹脂層付き多孔質基材の製造装置２０は、ロール状に配置された多孔質基材２６である巻出しロール２７と、巻出しロール２７から送り出された多孔質基材２６の一方の面に、樹脂膜２５を形成する塗工部と、樹脂膜２５を乾燥し、樹脂層を形成する乾燥部と、樹脂層が形成された多孔質基材を巻取る巻取りロール２８とからなる。
【００３０】
樹脂層付き多孔質基材の製造装置の塗工部は、多孔質基材２６の一方の面に樹脂膜２５を形成するための樹脂液を吐出するダイ塗工ヘッド２１と、基材を支持するための塗工ステージとからなる。なお、図２および３では、多孔質基材２６の一方の面に樹脂膜２５を形成するため塗工手段として、ダイ塗工ヘッド２１を示したが、スクリーン印刷やオフセット印刷のような印刷手段を用いてもよい。また、塗工ステージとしては、吸着機構などの方法で、裏側から基材を固定するものがある。
【００３１】
多孔質基材２６の一方の面に樹脂膜２５を形成するための樹脂液は、少なくとも、カーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む。カーボン粒子および樹脂については、前述の樹脂層１２に含まれるカーボン粒子および樹脂と同じである。一方、樹脂液に含まれる溶媒としては、水、２−プロパノールなどのアルコール類などが挙げられる。また、樹脂液に含まれる樹脂がチップ形状の樹脂である場合、樹脂液は懸濁液となり、この懸濁液を用いて樹脂膜２５を形成することによって、樹脂を溶融させた際に適度な空隙を形成することができる。
【００３２】
樹脂液に含まれるカーボン粒子と樹脂の割合は、１：０．１から１：３の間であることが好ましい。樹脂液に含まれる樹脂の量が多すぎると、樹脂層の細孔（空隙）が閉塞してしまうため、樹脂液に対する樹脂の濃度は適正に調整する必要がある。
【００３３】
樹脂膜２５を乾燥し、樹脂層を形成する乾燥部は、図２および３に示すように、塗工部にて多孔質基材２６の一方の面に形成された樹脂膜２５を乾燥させて溶媒を除去する減圧乾燥手段２３、熱乾燥手段２４および焼結乾燥手段２９からなる。ここで、図２および３では、減圧乾燥手段２３、熱乾燥手段２４および焼結乾燥手段２９の全ての乾燥手段を用いた装置を示したが、樹脂層付き多孔質基材の製造装置は、少なくとも焼結乾燥手段２９を備えていればよい。また、焼結乾燥手段２９と併用する乾燥手段としては、減圧乾燥手段２３または熱乾燥手段２４のいずれか一方でもよく、その両方でもよい。また、減圧乾燥手段２３および熱乾燥手段２４を両方用いる場合、その順序は限定されないが、減圧乾燥手段２３を用いた後、熱乾燥手段２４を用いることが、乾燥速度の短縮や、乾燥ムラの発生の回避という点で好ましい。
【００３４】
減圧乾燥手段２３は、減圧乾燥によって樹脂膜２５に含まれる溶媒を除去する手段である。減圧乾燥手段２３を用いることにより、短時間で樹脂膜２５内の溶剤を除去することができ、また、樹脂膜２５を常温で乾燥することができるため、熱に弱い多孔質基材にも対応することができる。減圧乾燥手段２３を用いるときの圧力は、０．１Ｔｏｒｒ以上１０Ｔｏｒｒ以下、時間は、５秒以上１８０秒以下であることが好ましい。また、乾燥ムラの回避のため、設定到達圧に達するまでの時間を調整できる機構を持つもことが好ましい。
【００３５】
熱乾燥手段２４は、加熱によって樹脂膜２５に含まれる溶媒を除去する手段である。熱乾燥手段２４を用いることにより、減圧乾燥手段に比べて低コストで導入することができ、また、樹脂膜２５に生じる乾燥ムラを低減することができる。具体的には、ＩＲヒーターや熱風循環式ヒーターなどの各種ヒーターを用いる。また、コンベア方式、枚葉方式など搬送方法に合わせて選定する。熱乾燥手段２４を用いるときの温度は、７０℃以上２５０℃以下、時間は、５秒以上３００秒以下であることが好ましい。
【００３６】
焼結乾燥手段２９は、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる手段である。具体的には、紫外から可視光のブロードな波長を持つ光をパルス式で照射する装置（パルス光照射装置）を用いることができる。光源としては、Ｘｅガスを使ったＸｅフラッシュランプなどが一般的に用いられる。パルス光を照射するフラッシュランプを用いることにより、光をパルス式で照射する装置を小型化することができ、また、装置の占有スペース、つまりフットプリントを短縮することができる。この光源を用いて、対象物に数千Ｖに及ぶ高出力の光を瞬間的に照射することで、その波長に吸収域を持つ物質の温度を瞬時に上げることができる。そして、その対象物を高温でかつ短時間で乾燥および焼結させることができる。
【００３７】
パルス光は、パルスの周波数、電圧を適宜調整できる装置を用いて適正な照射エネルギーに調整することができる。特に、高出力のパルス光を用いることで、対象物を短時間で焼結することができる。具体的には、連続パルスの周波数は限定するものではないが、電圧は１０００Ｖ以上５０００Ｖ以下、照射時間は、０．１ミリ秒以上１０ミリ秒以下であることが好ましい。また、多孔質基材２６の搬送速度を調整すること、すなわち、照射時間を調整することによっても、照射エネルギーを調整することができる。照射エネルギーは０．１Ｊ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００３８】
なお、樹脂膜２５に含まれる樹脂がチップ状の樹脂である場合、焼結乾燥手段２９を用いると、チップ状の樹脂とともに含まれるカーボン粒子がパルス光を吸収することで高温となり、チップ状の樹脂が溶融する。これを冷却することによって樹脂層を形成することができる。
【００３９】
本発明の樹脂層付き多孔質基材の製造装置は、図２および３に示すように、多孔質基材２６がロール状の形態であり、巻取りと巻出しの機構を具備し、多孔質基材２６を搬送しながらパルス光を連続的に照射する形式でもよく、また、多孔質基材２６がシート状の形態で搬送される形成でもよい。その中でも、図２および３に示すように、いわゆるロール・トゥ・ロールで処理することにより、焼結炉のようなバッチ処理と比べて、効率良く樹脂層付き多孔質基材を作製することができる。
【００４０】
（樹脂層付き多孔質基材の製造方法について）
本発明の一実施形態である樹脂層付き多孔質基材の製造方法は、少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する塗工工程と、樹脂膜を乾燥させて、樹脂層を形成する乾燥工程とを備え、乾燥工程が、パルス光を照射して加熱することにより乾燥させる工程を含む。
【００４１】
樹脂層付き多孔質基材の製造方法に用いられる樹脂液は、樹脂層付き多孔質基材の製造装置で用いられる樹脂液と同様のものを用いることができる。具体的には、少なくとも、カーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む。
【００４２】
また、樹脂層付き多孔質基材の製造方法の塗工工程は、樹脂層付き多孔質基材の製造装置の塗工部で用いられる塗工手段と同様のものを用いて行なうことができる。具体的には、少なくともカーボン粒子と樹脂と溶媒とを含む樹脂液を、ダイ塗工ヘッド、またはスクリーン印刷やオフセット印刷のような印刷手段などを用いて多孔質基材の一方の面に塗工して樹脂膜を形成する。
【００４３】
また、樹脂層付き多孔質基材の製造方法の乾燥工程は、樹脂層付き多孔質基材の製造装置の乾燥部で用いられる乾燥手段と同様のものを用いて行なうことができる。具体的には、焼結乾燥手段を用いることができ、必要に応じて、減圧乾燥手段または熱乾燥手段いずれか一方が、その両方を用いることができる。
【００４４】
ここで、多孔質基材の一方の面に樹脂層を形成する場合、焼結乾燥の工程において樹脂層の内部に空隙を形成し、これに起因して樹脂層の表面に凹凸が生じる。この凹凸が大きい場合、例えば、固体高分子形燃料電池では、樹脂層に貼合する電極触媒層との接合性が下がり、発電性能が低下する場合がある。そこで、樹脂層の表面粗さＲａは、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。樹脂層の表面粗さＲａは、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることにより、樹脂層の表面の凹凸を小さくし、樹脂層に貼合する電極触媒層との接合性を上げ、後述する膜電極接合体の性能を向上させることができる。また、樹脂層の表面に直接電極触媒層を形成する場合に、電極触媒層の面内の膜厚を均一にすることができる。樹脂層の表面粗さＲａを０．０２μｍ以上１．０μｍ以下にする手段としては、カーボン粒子と樹脂の割合、またはパルス光の照射エネルギーを調整する手段などが挙げられる。
【００４５】
（固体高分子形燃料電池について）
図４は、固体高分子形燃料電池の構成を示した分解斜視図である。図１に示すように、固体高分子形燃料電池５０を構成する高分子電解質膜５１には、その両面に、高分子電解質膜５１を挟んで互いに向い合う一対の電極触媒層５２Ａ、５２Ｆが配置されている。そして、一対の電極触媒層５２Ａ、５２Ｆには、それぞれ、高分子電解質膜５１と対向する面と反対側の面に、高分子電解質膜５１及び一対の電極触媒層５２Ａ、５２Ｆを挟んで互いに向い合う一対のガス拡散層５３Ａ、５３Ｆが配置されている。
【００４６】
このうち、高分子電解質膜５１の一方側の電極触媒層５２Ａとガス拡散層５３Ａとが空気極（カソード）となり、他方側の電極触媒層５２Ｆとガス拡散層５３Ｆとが燃料極（アノード）となる。そして、高分子電解質膜５１、一対の電極触媒層５２Ａ、５２Ｆ、及び一対のガス拡散層５３Ａ、５３Ｆから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）が、互いに向い合う一対のセパレーター５４Ａ、５４Ｆによって挟持されている。
【００４７】
なお、一対のセパレーター５４Ａ、５４Ｆの各々にて、膜電極接合体と互いに向かい合う側面には、ガス流路５５Ａ、５５Ｆが凹設され、また膜電極接合体とは反対側の側面には、冷却水通路５６Ａ、５６Ｆが凹設されている。また、固体高分子形燃料電池５０では、一対の冷却水通路５６Ａ、５６Ｆの各々に冷却水が流され、且つ、空気極（カソード）側のガス流路５６Ａに、例えば、酸素ガスが流され、燃料極（アノード）側のガス流路５５Ｆに、例えば、水素ガスが流される。そして、触媒の存在下で酸素ガスと水素ガスとが電極反応を進めることによって、一対のガス拡散層５３Ａ、５３Ｆの間に起電力が生成される。
【００４８】
本発明の樹脂層付き多孔質基材は、例えば、ガス拡散層５３Ａ、５３Ｆとして用いることができる。図１に示した樹脂層付き多孔質基材１０の場合、多孔質基材１１がＧＤＬ（Ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）と呼ばれる層に相当し、樹脂層１２がＭＰＬと呼ばれる層に相当する。
【００４９】
ここで、固体高分子形燃料電池５０を構成するガス拡散層５３Ａ、５３Ｆは、ＧＤＬとＭＰＬとからなり、ＧＤＬ側から入ったガスは、空隙の小さいＭＰＬで更に拡散されて電極触媒層５２Ａ、５２Ｆに到達する。したがって、ＭＰＬは適度な多孔性を有することが好ましい。一方、ＭＰＬと電極触媒層５２Ａ、５２Ｆの界面には水が形成されるため、ＭＰＬには排水性も求められる。したがって、ＭＰＬには撥水性の樹脂が用いられることが好ましい。
【００５０】
以下、具体的に、樹脂層付き多孔質基材の製造装置および樹脂層付き多孔質基材の製造方法について説明する。ここでは、多孔質基材がＧＤＬ、樹脂層がＭＰＬであるガス拡散層の製造装置およびガス拡散層の製造方法について説明する。
【００５１】
ＧＤＬの表面に形成するＭＰＬを形成するための樹脂液には、カーボン粒子と、フッ素系の樹脂チップであるＰＴＦＥチップを水に分散させた液を使用した。カーボン粒子とＰＴＦＥチップの比率は重量比率で１：１とした。また、水中の分散を安定化するために分散剤を添加した。
【００５２】
製造装置は、図２、３で示したものと同様のロール搬送装置を使用したが、焼結乾燥手段であるパルス光照射装置についてはロール搬送装置に組み込まれておらず、別途単体で設置されているパルス光照射装置を使用した。つまり、塗工工程および減圧乾燥手段と熱乾燥手段からなる乾燥工程まではロール・トゥ・ロールで処理し、その後、基材をシート状にカットしてパルス光を照射する方法を採用した。
【００５３】
用いたパルス光照射装置は、シート状の基材を照射装置であるが、１本のランプの下をステージが等速移動する構成となっており、ロール搬送装置と同様に、基材の搬送速度で照射エネルギーをコントロールした。
【００５４】
ＧＤＬとなる多孔質基材には、幅５００ｍｍでロール状の一般的なカーボンペーパーを採用したが、樹脂層となるＭＰＬを塗工するために、予め表面が疎水処理されている多孔質基材を用いた。
【００５５】
ロール状のＧＤＬ（多孔質基材２６）を、図２、３に示すように一定のテンションをかけて保持し、塗工手段によってＧＤＬの表面に樹脂液２５を塗工して樹脂膜を形成し、この樹脂膜を乾燥手段によって乾燥した。乾燥手段としては、減圧乾燥手段および熱乾燥手段の順で双方を用いた。
【００５６】
塗工手段はダイ塗工手段を用い、塗工ステージは基材吸着機能を備えているステージを用いた。ＧＤＬのうち塗工したいエリアを、間欠送りによって塗工ステージ２２まで搬送した後、塗工ステージ２２に吸着した。次に、ポンプ送りによって樹脂液（ＭＰＬ形成用インク）をダイ塗工ヘッドに送液し、３００ｍｍ×３００ｍｍのＭＰＬを形成した。樹脂液の塗工膜厚は、乾燥後に５０μｍとなるように調整した。
【００５７】
塗工して形成した樹脂膜２５は、間欠送りによって減圧乾燥装置（減圧乾燥手段２３）に送り、減圧乾燥によって樹脂膜２５に含まれる溶媒を除去した。減圧到達温度は約１Ｔｏｒｒとし、約３０ｓｅｃ保持した後に大気開放した。
【００５８】
減圧乾燥を行なった後、熱乾燥装置（熱乾燥手段２４）によって追加乾燥を行なった。熱乾燥装置は電熱ヒーターによって加熱する一般的なオーブンを使用し、基材を搬送することなく、チャンバー内を一定時間保持する方法を採用した。温度は９０℃とし、保持時間は減圧乾燥時間と同様に約３０ｓｅｃとした。熱乾燥を行なったＭＰＬは、ＭＰＬ付きＧＤＬとして巻取りロールで回収した後にシート状に断裁した。
【００５９】
シート状に断裁したＭＰＬ付きＧＤＬは、手動でパルス光照射装置に投入し、パルス光を照射した。パルス光にはＸｅガスによるフラッシュ光源を使用し、波長は２００〜８００ｎｍの間でブロードに存在するものを選定した。ランプ本数は１本とした。
【００６０】
パルス光の電圧は２０００Ｖとし、照射時間０．１ｍｓのパルス光を１０Ｈｚにて照射した。ランプと基材の距離を約２５ｍｍとし、基材の搬送速度は１０ｍｍ／ｓｅｃとした。ＭＰＬが３００ｍｍ×３００ｍｍであるため、焼結時間は約３０ｓｅｃで完了した。
【００６１】
以上の方法で形成したＭＰＬの表面粗さＲａを測定した結果、０．８μｍとなり、このＭＰＬ付きＧＤＬをガス拡散層として固体高分子形燃料電池に用いた場合、発電性の向上が見込める結果となった。なお、従来方式である高温焼結炉において、ＭＰＬを約３８０℃、２０ｍｉｎの条件で焼結した場合、ＭＰＬの表面粗さＲａは１．３μｍとなり、ＭＰＬの表面の凹凸が大きくなることで、ＭＰＬに貼合する電極触媒層との接合性の向上が見込めない結果となった。したがって、パルス光を使って焼結させてＭＰＬを形成することによって、焼結時間を大幅に低減することができ、焼結時間は約１／４０まで低減することができる。また、焼結するための装置も、ランプを１本使用するだけで小型化が可能で、ＭＰＬの表面粗さを低減することで発電性能の向上も期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の樹脂層付き多孔質基材の製造方法および製造装置は、固体高分子形燃料電池を構成するガス拡散層として用いることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０・・・樹脂層付き多孔質基材
１１・・・多孔質基材
１２・・・樹脂層
２０・・・樹脂層付き多孔質基材の製造装置
２１・・・ダイ塗工ヘッド
２２・・・塗工ステージ
２３・・・減圧乾燥手段
２４・・・熱乾燥手段
２５・・・樹脂膜
２６・・・多孔質基材
２７・・・巻出しロール
２８・・・巻取りロール
２９・・・焼結乾燥手段
５０・・・固体高分子形燃料電池
５１・・・高分子電解質膜
５２Ａ、５２Ｆ・・・電極触媒層
５３Ａ、５３Ｆ・・・ガス拡散層
５４Ａ、５４Ｆ・・・セパレーター
５５Ａ、５５Ｆ・・・ガス流路
５６Ａ、５６Ｆ・・・冷却水通路
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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