(57)【要約】【課題】シ−ト状基材５を高温下で熱処理する際に、微少なしわやオレ、紋様等が生じても、そのしわや紋様等を除去或いは矯正することにより、しわ欠点のない高品位な燃料電池電極用のシ−ト状基材を作製するための製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】本発明の電極用シ−ト状基材の製造装置２は、基材５の搬送手段１２と、該基材を不活性雰囲気下の低温領域で熱処理する前炭化炉の低温熱処理炉１１と、該前炭化処理炉で処理された基材をさらに不活性雰囲気下の高温領域で熱処理する炭化炉の高温熱処理炉１４と、基材の巻き取り装置１５とを含むシート状基材の製造装置において、前記高温熱処理炉１４と巻き取り装置１５との間に、前記基材に１０〜１００ｇ／ｃｍの範囲の引き取り張力を加える張力賦与装置と、前記基材を１８００〜２５００℃の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか若しくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加える加熱装置とからなるしわ伸ばし装置６２を介設したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）基材をコンベアベルト上に載せ、不活性雰囲気下かつ６００〜８００℃の範囲の低温領域で熱処理する前炭化工程と、
（Ｂ）該処理された基材をさらに、不活性雰囲気下かつ１８００〜２３００℃の範囲の高温領域で熱処理する炭化工程と、
（Ｃ）該炭化工程を終えた基材に対し、１０〜１００ｇ／ｃｍの範囲の引き取り張力を加えつつ、前記基材を、前記熱処理温度以上の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか、若しくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加えながら引き取る工程と、を含むことを特徴とするシ−ト状基材の製造方法。
【請求項２】
前記基体の表面温度若しくは基材表面の輻射温度は、１８００〜２５００℃であることを特徴とする請求項１に記載のシ−ト状基材の製造方法。
【請求項３】
前記不活性雰囲気は、不活性ガスが窒素またはアルゴンガスによるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のシ−ト状基材の製造方法。
【請求項４】
前記シ−ト状基材が、炭素繊維織物または炭素繊維不織布であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシ−ト状基材の製造方法。
【請求項５】
前記炭素繊維織物が、耐炎化糸を捲縮・紡績して製織されたものであって、かつその目付が１００〜２００ｇ／ｍ２の範囲であることを特徴とする請求項４に記載のシ−ト状基材の製造方法。
【請求項６】
前記炭素繊維不織布が、耐炎化糸のステ−プルから不織されたもので、かつその目付が１００〜２００ｇ／ｍ２の範囲であることを特徴とする請求項４に記載のシ−ト状基材の製造方法。
【請求項７】
基材の搬送手段と、該基材を不活性雰囲気下の低温領域で熱処理する前炭化炉と、該前炭化処理炉で処理された基材をさらに不活性雰囲気下の高温領域で熱処理する炭化炉と、基材の巻き取り装置とを含むシート状基材の製造装置において、
前記炭化炉と巻き取り装置との間に、前記基材に１０〜１００ｇ／ｃｍの範囲の引き取り張力を加える張力賦与装置と、前記基材を１８００〜２５００℃の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか若しくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加える加熱装置とからなるしわ伸ばし装置を介設したことを特徴とするシ−ト状基材の製造装置。
【請求項８】
上記基体が、黒鉛材またはＣ／Ｃコンポジット材であることを特徴とする請求項７に記載のシ−ト状基材の製造装置。
【請求項９】
上記基体の表面粗さが、Ｒｍａｘ１２ｓ以上またはＲａ３．０ａ以上であることを特徴とする請求項７または８に記載のシ−ト状基材の製造装置。
【請求項１０】
上記基体への基材の巻き付け角度が、１０〜１５０°の範囲であることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のシ−ト状基材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シ−ト状基材の製造方法および製造装置に関する。詳しくは、燃料電池用基材として、耐炎化繊維織物、耐炎化繊維不織布等から成るシ−ト状基材を高温下で連続熱処理しても、しわや紋様のない高品位な電極用シ−ト状基材を製造できる方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既存のエネルギ−が枯渇するかもしれないという不安は、人類にとって重要且つ深刻な問題で、この問題の解決策として核エネルギ−を有効活用した原子力発電が実用化されているが、その安全性や使用済み核燃料の処分が問題視されている。また、化石燃料の枯渇化や地球環境問題が国際的にクロ−ズアップされ、なかでも地球温暖化の問題は、石油等の化石燃料の消費による炭酸ガスの排出が主たる原因だと云われている。このような背景から、近年有害排気ガスを出さない電池として燃料電池や自然エネルギ−を有効活用した太陽電池等がおおいに注目されている。
【０００３】
燃料電池は、化石燃料或いは合成燃料を原料とし、その分解生成物である水素や一酸化炭素と、空気中の酸素を電気化学的に反応させて直接電力を取り出す装置であり、その電極基材として、炭素短繊維とフェノ−ル樹脂等の結着樹脂を加えて抄紙した後熱処理した、厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度の多孔質炭素板をはじめ、炭素繊維織物や炭素繊維不織布の開発がなされている。近年、特に燃料電池搭載自動車の開発がその解決手段の一つとして注目されはじめ、自動車各社が燃料電池メ−カ−や石油会社と各種の協力関係を結び、開発競争にしのぎを削っている。自動車用途向け燃料電池の電極基材は、大量需要と低コスト化の要求が予測されるため、そのシ−ト状基材の熱処理は生産性の高い連続処理プロセスの技術開発が必須である。
【０００４】
その課題のひとつに、シート状基材の高温熱処理時におけるしわ、オレ等の除去が挙げられる。この問題は、通常、電極基材の製造工程においてはシ−ト状基材を低張力下におき、これに６００〜２３００℃程度の高温の熱処理を加えるが、この時、処理前のシ−ト状基材が２００〜３００℃の低温下で熱処理された耐炎糸をベ−スとした織物若しくは不織布であるため、高温の熱処理中にシ−ト状基材が幅方向および長手方向共に収縮し、得られた基材にオレ、しわ等が入る問題である。基材にオレ、しわ等が入ると、電極基材に用いても、Ｉ−Ｖ特性や引張強さ等に影響し、要求特性を満足させることができない。よって、従来より、シート状基材の製造工程において、微少なしわが生じた場合でも巻物状の製品となった際にはしわを除去或いは矯正できる技術の開発が望まれていた。
【０００５】
かかる課題解決を目的とした従来技術としては、特許文献１に、例えば、電極シ−トを予熱する予熱ゾ−ンと、予熱ゾ−ンよりも高温で電極シ−トを加熱する加熱ゾ−ンと、加熱ゾ−ンよりも低温で加熱する徐冷ゾ−ンと、電極シ−トを平面形状に矯正する平面矯正ゾ−ンを有し、予熱ゾ−ン、加熱ゾ−ン、徐冷ゾ−ンでは電極シ−トがエアフロ−ティングにより完全無接触搬送される装置が提案されている。
【０００６】
しかし、この装置は、リチウム電池の電極シ−トを製造するための装置であるため、その電極シ−トは集電体としての金属箔上に金属酸化物や有機高分子化合物等を塗布したものであり、シ−ト状基材の材料が本発明の基材である多孔質炭素板、炭素繊維織物や炭素繊維不織布とは全く異なる。また、その電極シ−トの加熱処理装置に於ける予熱ゾ−ン、加熱ゾ−ン、徐冷ゾ−ンおよび平面矯正ゾ−ンでの加熱能力は、予熱ゾ−ンで１００〜２５０℃、加熱ゾ−ンで３００℃、徐冷ゾ−ンで約２００℃、平面矯正ゾ−ンで８０〜２００℃であり、本発明のシ−ト状基材の上記熱処理温度に比べて１５００℃もの格段に低い加熱温度であるため、仮に上記４ゾ−ンで構成された加熱処理装置に大がかりな改造を加えたとしても、到底採用が困難である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２２８８９８号公報（請求項１、５、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、シ−ト状基材を高温下で熱処理する際に、微少なしわやオレ、紋様等が生じても、そのしわや紋様等を除去或いは矯正することにより、しわ欠点のない高品位なシ−ト状基材を作製するための製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のシ−ト状基材の製造方法は、上記課題を解決するため、
（Ａ）基材をコンベアベルト上に載せ、不活性雰囲気下かつ６００〜８００℃の範囲の低温領域で熱処理する前炭化工程と、
（Ｂ）該処理された基材をさらに、不活性雰囲気下かつ１８００〜２３００℃の範囲の高温領域で熱処理する炭化工程と、
（Ｃ）該炭化工程を終えた基材に対し、１０〜１００ｇ／ｃｍの範囲の引き取り張力を加えつつ、前記基材を、前記熱処理温度以上の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか、若しくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加えながら引き取る工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のシ−ト状基材の製造装置は、上記課題を解決するため、基材の搬送手段と、該基材を不活性雰囲気下の低温領域で熱処理する前炭化炉と、該前炭化処理炉で処理された基材をさらに不活性雰囲気下の高温領域で熱処理する炭化炉と、基材の巻き取り装置とを含むシート状基材の製造装置において、前記炭化炉と巻き取り装置との間に、前記基材に１０〜１００ｇ／ｃｍの範囲の引き取り張力を加える張力賦与装置と、前記基材を１８００〜２５００℃の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか若しくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加える加熱装置とからなるしわ伸ばし装置を介設したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のシ−ト状基材の製造装置の好ましい実施の形態をその概略縦断面図である図１および従来のシート状基材の製造装置の概略縦断面図である図４を用いて説明する。なお、両図において、同一符号のものは同一部材を示している。
【００１２】
図１および図４において、本発明のシート状基材の製造装置２および従来のシート状基材の製造装置１は、まず両装置の共通点を説明すると、例えば炭素繊維織物、炭素繊維不織布等からなるシ−ト状基材５をまず６００〜８００℃程度の温度で前炭化処理するための低温熱処理炉１１、前炭化処理を終えたシ−ト状基材５を前炭化処理温度よりも更に高温の１８００〜２３００℃の温度で炭化処理する高温熱処理炉１４を基本構成とし、これに前記低温熱処理炉１１および前記高温熱処理炉１４の出口側に設けたニップローラ形式で強制駆動が可能な構成の搬送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、紙管に巻かれたシ−ト状基材５の巻き出し装置１０、炭化処理後のシ−ト状基材６の巻き取り装置１５とから構成されている。
【００１３】
低温熱処理炉１１および高温熱処理炉１４は、いずれも図示は省略するが内部雰囲気を上記温度範囲に加熱・制御できるマッフル炉が内蔵されており、それぞれの入口１７と出口１８とには、内部高温ガスのシ−ル機構１６が付設され、該シ−ル機構１６の部位から炉内雰囲気を不活性化するための不活性ガスＧが供給され、供給されたガスは図示を省略したマッフル炉に付設された排ガス出口から排出する構成となっている。
【００１４】
低温熱処理炉１１には金属製の搬送ベルト１２が処理速度Ｖで周回しており、シ−ト状基材５は該搬送ベルト１２に載って低温熱処理炉１１の入口１７から出口１８へと熱処理されつつ搬送される。
【００１５】
低温熱処理炉１１で前炭化処理されたシ−ト状基材５は、次に高温熱処理炉１４へと搬送され、図示を省略した炉内のマッフル底面を引きずられながら炭化処理されて、該高温熱処理炉１４の出口１８へと搬送され、次いで巻き取り装置１５上に巻かれる。
【００１６】
搬送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃには、図示を省略したがそれぞれ張力検出器と、蛇行検出・制御装置とが設けられており、シ−ト状基材５を設定値範囲内の引き取り張力に維持しつつ、設定値範囲内の蛇行制御範囲内に収められるようにシ−ト状基材５の幅方向に往復移動可能な構造となっている。また、巻き出し装置１０と搬送装置１３ａ、１３ｂを単独駆動する場合の速度制御は、シート状基材５の送り速度が一定速度となる制御方式となっている。一方、巻き取り装置１５の制御方式は、巻径に比例した張力制御方式となっており、予め設定した巻き取り量に達したら警報が鳴るようになっている。さらに、巻き取り装置１５には、巻き出し装置１０、搬送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび巻き取り装置１５の各装置を連動させつつ一定送り速度で駆動できる押し釦スイッチが設けてある。
【００１７】
図２において、本発明の製造装置２が図１の従来装置と異なる点は、搬送装置１３ｃと巻き取り装置１５との間に、しわ加熱矯正炉５０と、その前後に設けられたガイドローラ６０、６１とからなるしわ伸ばし装置６２を設けた点にある。このしわ伸ばし装置６２は、低温熱処理炉１１と高温熱処理炉１４とで前炭化処理および炭化処理時にシート状基材に生じた収縮によるシワを走行方向に力を加えながら前記基材を１８００〜２５００℃の表面温度に加熱された基体に離接させながら接触させるか、もしくは基材表面の温度が前記温度範囲となる輻射熱を加えることでシワを矯正するものである。
【００１８】
図２は、上記しわ加熱矯正炉５０の拡大縦断面図である。図に示すように、加熱矯正炉５０は、外形形状が箱形で内部が空洞になっており、その前後にはそれぞれ熱処理炉側と巻き取り装置側に突出した構造の入口５１と出口５２が設けられている。また、この突出部にはシ−ル機構１６が付設され、ここに系外から不活性ガスＧを供給することで炉内を不活性雰囲気にするとともに、炉内雰囲気の系外への漏出をシールするようになっている。炉内の５３は、入口５１から入ってきた炭化処理後のシート状基材６表面のしわ等を矯正するための、横断面形状がかまぼこ形をした被発熱体５３で、進行方向に沿って複数個がその凸部を上下交互にして本体壁面から水平に固定されている。この被発熱体５３は、その表面が例えば黒鉛材、Ｃ／Ｃコンポジット材等の材質の基体からなり、表面半径Ｒが１００〜２５０ｍｍの範囲の凸状に加工されており、その上下に一定距離をおいて設けられた発熱体５４からの輻射熱を受けて１８００〜２５００℃程度の温度に加熱できるようになっている。発熱体５４は、加熱方式が例えば電熱、赤外線形式のもので、図示を省略した給電設備から給電されて上記範囲内の所望温度に昇温できるようになっている。
【００１９】
本発明の製造装置２の各部構成は上述したとおりであるが、図２のしわ加熱矯正炉５０は、炉内で縦断面がかまぼこ状をした凸形状の被加熱体５３がその凸面を上下交互で基材の進行方向に千鳥配設されているため、炭化処理後のシ−ト状基材６の両面が交互に被発熱体５３表面に強制的に適度の張力下で接触することになり、しわや紋様が容易に解消される作用効果を有する。被発熱体５３の材質としては、耐熱温度、加工性、経済性等を勘案して選定することが重要であるが、一般的にみると黒鉛材が好ましく、その製法面から考えると等方性黒鉛材が曲げ強度の点からも好ましい。また、凸形状部分の基体表面の表面粗さは、炭化処理後のシ−ト基材６の種類、厚さ等にもよるが、Ｒｍａｘ３５ｓ、Ｒａ８．７５ａ以上が好ましく、Ｒｍａｘ１２ｓ、Ｒａ３．０ａがより好ましい。
【００２０】
図３は、図２のしわ加熱矯正炉５０とは異なる実施態様の本発明に係るしわ加熱矯正炉の概略縦断面図である。図２の矯正炉と異なっている点は断面がかまぼこ状をした被発熱体５３がなく、その代わりに複数本の円筒状若しくは棒状の発熱体５４で構成されている。この基体である発熱体５４は、水平方向に複数本等間隔でジグザグ状に図示を省略した支持部材で側壁から固定支持されている。また、該発熱体５４は、図示を省略した給電設備から給電されて所望温度に昇温できるようになっている。この発熱体５４の材質は、その直径や長さ、耐熱温度、加工性、経済性等を勘案して選定することが重要であるが、黒鉛材乃至Ｃ／Ｃコンポジット材から選ばれたものが好ましい。そして、この場合の発熱体５４の表面粗さは、炭化処理後のシ−ト基材６の種類、厚さ等にもよるが、Ｒｍａｘ３５ｓ、Ｒａ８．７５ａ以上が好ましく、Ｒｍａｘ１２ｓ、Ｒａ３．０ａがより好ましい。さらに、発熱体５４への炭化処理後のシ−ト状基材６の巻き付け角度は、しわ加熱矯正炉５０内での炭化処理後のシ−ト状基材６張力によって適宜設定する。しわ加熱矯正炉５０の入口５１および出口５２に最も近い発熱体５４への巻き付け角度θ１の範囲は、概ね１０°〜８０°程度の範囲が好ましい。また、中間位置に位置する前記発熱体５４への巻き付け角度θ２の範囲は、概ね６０°〜１５０°程度の範囲が好ましい。本実施態様の矯正炉も前述のものと同様に入口５１と出口５２にシ−ル機構１６が付設され、該シ−ル機構１６から不活性ガスＧが供給される。
【００２１】
再び図１に戻って、搬送ベルト１２は、炉内を入口１７から出口１８に向かって走行し、室温程度まで冷却されて出口１８側のシ−ル機構１６から出ると、炉外を再び入口１７へと戻る走行経路になっている態様を示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、搬送ベルト１２が炉内を入口１７から出口１８に向かって走行し、出口１８で炉内をＵタ−ンして再び出口１８から炉内の入口１７に向かって戻る経路のものであっても良い。また、図１および図４においては、高温熱処理炉１４へと搬送されたシ−ト状基材５が炉内の図示省略のマッフル底面を引きずられながら炭化処理されて、高温熱処理炉１４の出口１８へと搬送される態様のものを示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、高温に耐え、かつ熱容量の小さい炭素繊維織物やＣ／Ｃシ−ト等の材質から成る搬送ベルトであっても良い。
【００２２】
また、前述の被発熱体５３と発熱体５４は、必ずしも図２と図３の態様のものに限定されるものではなく、炭化処理後のシ−ト状基材６の種類、厚さ、処理速度Ｖ等によって、被発熱体５３または発熱体５４の断面がフラット形状や断面が凸形状で且つ基体の長手中央部が端部よりも盛り上がったいわゆるクラウン形状になったものでも良い。また、発熱体５４は基体である被発熱体５３の下側或いは上側で複数本配設された態様のものでも所望する雰囲気温度が得られるならば問題ない。また、発熱体５４は円筒形状に必ずしも限定されるものではなく、炉のコンパクト化等から板状スリット式であっても良い。また、発熱体５４の外径についても炉内のもの全てが同径である必要はなく、異径であっても良い。また、図１において、しわ加熱矯正炉５０を高温熱処理炉１４の下流側に設けたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、処理するシ−ト状基材５の種類、厚さ、炭化処理後のシ−ト状基材６の物性等によって、高温熱処理炉１４に代えてしわ加熱矯正炉５０を設置しても構わない。
【００２３】
金属製搬送ベルト１２の材質としては、耐熱性があり、基材表面を汚さないステンレス鋼材であるＳＵＳ３１０Ｓが好ましい。また、搬送ベルトの形態としては、シ−ト状基材５の前炭化処理により、基材５から当然に熱分解ガスが出るが、これを処理中のシ−ト状基材５の全面から抜け出るようにするために、薄板をエンドレス化したいわゆるスチ−ルベルトよりも細線を編みあげたいわゆるメッシュベルトが好ましい。
【００２４】
以上のような構成のしわ加熱矯正炉５０によると、入口５１から炉内に進入した炭化処理後のシート状基材６を上下交互で基材の進行方向に千鳥状に配設された基体である被発熱体５３または発熱体５４に離設させながら接触させ、走行方向に張力を加えることで上記基材６を伸ばした状態とし、１８００〜２５００℃に保たれた炉内温度で熱セットされるので、基材表面に微少なしわやオレ、紋様等が生じていても、しわ欠点のない高品位な基材が得られる。
【００２５】
次に、上記図面を用いて本発明の製造方法について説明する。
【００２６】
図１の本発明の製造装置において、まず高温熱処理炉１４内に予め通糸治具等で例えば耐熱性を有した炭素繊維で作られた編組等を通しておき、低温熱処理１１および高温熱処理炉１４を所望設定温度まで昇温させておく。この際、搬送ベルト１２の走行を停止しておくと低温熱処理炉１１内に止まっている該搬送ベルト１２にある温度領域で熱脆性が生じ易い。このため、低温熱処理炉１１を昇降温する際には搬送ベルト１２も低速走行をしておいた方がベルト寿命の点から好ましい。そして、例えば耐炎化糸を捲縮・紡績して製織された炭素繊維織物が巻かれたシ−ト状基材５を巻き出し装置１０に取り付ける。
【００２７】
次に、巻き出し装置１０の出側にある搬送装置１３ａにシ−ト状基材５を掛け渡した後、低温熱処理炉１１の搬送ベルト１２を駆動し、該搬送ベルト１２に上記シ−ト状基材５を載せ、該低温熱処理炉１１内を通す。低温熱処理炉１１からシ−ト状基材５が出れば、一旦搬送ベルト１２の駆動は停止する。低温熱処理炉１１から出てきたシ−ト状基材５は、次の搬送装置１３ｂに掛け渡した後、高温熱処理炉１４の入口１７に出ている編組にシ−ト状基材５を結び付け、該高温熱処理炉１４の出口１８から編組を静かに手繰り寄せて、シ−ト状基材５を引き出す。高温熱処理炉１４の出口１８に引き出したシ−ト状基材５は、巻き取り装置１５の手前にある搬送装置１３ｃに掛け渡した後、巻き取り装置１５に装着した紙管に炭化処理後のシ−ト状基材６の端部を貼付ける。
【００２８】
しかる後、巻き取り装置１５で所望の処理速度Ｖに設定を行い、巻き取り装置１５に取り付けてある押し釦スイッチを押して、巻き出し装置１０、搬送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび巻き取り装置１５を連動駆動する。シ−ト状基材５の張力が、低温熱処理炉１１の入口１７、高温熱処理炉１４の入口１７および出口１８で低張力となるよう、絶えず搬送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃに取り付けた張力検出器で監視し、張力が上がるようなら常に上流側へフィ−ドバックして一定に調整する。また、シ−ト状基材５の蛇行についても絶えず蛇行検出器で該シ−ト状基材５の両端部位置を監視し、蛇行制御範囲内に収まるようにする。
【００２９】
しかし、巻き取り装置１５に巻き取られた炭化処理後のシ−ト状基材６に、シ−ト状基材５の熱処理に伴う熱分解物のガスによる微少なしわや紋様が生じ、品質的には問題がなくても、品位の低下を招くことがある。
【００３０】
このため上記搬送装置１３ｃを通過した炭化処理後のシ−ト状基材６は、しわ加熱矯正炉５０の入口５１に設けられたシ−ル機構１６のほぼ真ん中を通過するようガイドロ−ラ６０を経て炉内へと入り、加熱による矯正処理終了後、該しわ加熱矯正炉５０の出口５２に設けられたもう一方のシ−ル機構１６のほぼ真ん中を通過するようガイドロ−ラ６１で案内されつつ巻き取り装置１５に装着した紙管に巻かれる。
【００３１】
このように、本発明のシート状基材の製造方法によれば、低温熱処理炉１１や高温熱処理炉１４による熱処理時に、シ−ト状基材５に加わる長手方向の張力による収縮と炭化収縮とにより、シ−ト状基材５が収縮するが、例えば炭素繊維織物においては、長手方向の張力によってシ−ト状基材５の幅寸法の縮み具合に変化が生じ、各縦糸の張力バラツキで収縮バラツキが起こり、しわや紋様等の欠点が生じ易いが、高温熱処理炉１４の下流側にしわ伸ばし装置６２を配設し、しわ加熱矯正炉５０の炉内に上下交互で基材の進行方向に千鳥配設された基体である被発熱体５３に離接させながら接触させ、走行方向に張力を加えることで炭化処理後のシ−ト状基材６を伸ばした状態とし、１８００〜２５００℃に保たれた炉内温度で熱セットすることで、しわや紋様を矯正することで除去できる作用効果を奏する。
【００３２】
【実施例】
［実施例１］
図１に示した本発明の製造装置２において、まず低温熱処理炉１１および高温熱処理炉１４の常用処理温度における有効ゾ−ン長は、上記低温熱処理炉１１に付設する搬送ベルト１２の使用最高速度まで対応できるよう、それぞれ１０００ｍｍ、１５００ｍｍとした。また、低温熱処理炉１１の有効マッフル幅は１１００ｍｍ、高温熱処理炉１４の有効マッフル幅は９５０ｍｍ、しわ加熱矯正炉５０の被発熱体５３における炭化処理後のシ−ト状基材６の当接部位の幅は８３０ｍｍの構成とした。その理由は炭化処理後のシ−ト状基材６の有効幅８００ｍｍを得るため、シ−ト状基材５の処理による幅方向の収縮率を加味し、処理前のシ−ト状基材の幅を１０００ｍｍとするためである。また、低温熱処理炉１１および高温熱処理炉１４の常用処理温度はそれぞれ７００℃、２０００℃とし、しわ加熱矯正炉５０の常用処理温度は２０００℃、最高処理温度２２００℃まで可能とした。
そして、低温熱処理炉１１の搬送ベルト１２には、材質ＳＵＳ３１０Ｓ、螺旋径φ０．８ｍｍ、重量１５ｋｇ／ｍ２の杉綾模様形のメッシュベルトを使用し、シ−ト状基材５を載せて、処理速度Ｖの範囲が０．１〜５ｍ／分まで任意に調整できる構成とした。
【００３３】
しわ加熱矯正炉５０は、被発熱体５３の基体材質として等方性黒鉛材のものを採用し、該基体の幅および長手方向の長さは各々４００ｍｍ、１０００ｍｍとし、断面凸形状のものを上下交互で基材の進行方向に５枚配設した。なお、断面凸形状の半径Ｒは２０００ｍｍで、凸形状の最高部の肉厚高さは８０ｍｍとした。
また、基体の表面粗さは、炭化処理後のシ−ト状基材６が押し当てられる面については、Ｒｍａｘ１２ｓ、Ｒａ３．０ａとし、他の面についてはＲｍａｘ３５ｓ、Ｒａ８．７５ａに加工した。また、発熱体５４の材質は黒鉛押出材とし、発熱体５４は、外径φ５０ｍｍ、内径３０ｍｍ、有効長さ１０００ｍｍの筒状とした。
【００３４】
次に、上記実施例装置の実施条件と効果を説明する。
【００３５】
使用したシ−ト状基材５は、旭化成株式会社の耐炎化紡績糸“ラスタン”を捲縮・紡績し、目付１３０ｇ／ｍ２、幅１０００ｍｍ、平織りで２００ｍの長さでロ−ル状に巻かれたものである。このシ−ト状基材５を、巻き出し装置１０に装着し、低温熱処理炉１１、高温熱処理炉１４およびしわ加熱矯正炉５０をそれぞれ常用処理温度の７００℃、２０００℃および２０００℃に昇温後、処理速度Ｖを０．５ｍ／分で、低温熱処理炉１１ではメッシュタイプの搬送ベルト１２にシ−ト状基材５載せて加熱処理し、高温熱処理炉１４では、前炭化処理を終えたシ−ト状基材を、図示を省略した炉内のマッフル底面を引きずって炭化処理した。その後、更に炭化処理後のシ−ト状基材６をしわ加熱矯正炉５０に導き、該しわ加熱矯正炉５０の加熱した基体である被発熱体５３に押し当てて、炭化処理後のシ−ト状基材６に生じた微少なしわや紋様等を除去或いは矯正し、巻き取り装置１５上でロ−ル状に巻き取った。なお、低温熱処理炉１１、高温熱処理炉１４におけるシ−ト状基材５の張力は、常時２１〜２４ｇ／ｃｍの範囲で制御され、しわ加熱矯正炉５０での炭化処理後のシ−ト基材６の張力は常時４０〜４３ｇ／ｃｍの範囲で制御された。また、巻き出し装置１０から巻き取り装置１５に至るまで、シ−ト状基材５の蛇行量は±３ｍｍ以下で、目標とした蛇行制御範囲の±５ｍｍ以下に収まった。そして、しわ加熱矯正炉５０を経てロ−ル状に巻かれた炭化処理後のシ−ト状基材６を点検したところ、全幅は８００ｍｍ±１ｍｍで毛羽立ちはなく、その表面はしわ欠点もない品位の高いものが得られた。また、しわ加熱矯正炉５０を経てロ−ル状に巻かれた炭化処理後のシ−ト状基材６は、元のシ−ト状基材５に対する収縮率が幅方向で２０％、長さ方向で１４％で、これらは満足すべき品質のものであった。また、目付を測定した結果、８０ｇ／ｍ２であった。
［実施例２］
実施例１と同一の熱処理装置を使用し、運転条件として、基材の処理速度を低温熱処理炉１１での最高処理速度Ｖである５ｍ／分に設定してシ−ト状基材５を連続的に熱処理した以外は、全て実施例１と同一条件とした。
【００３６】
処理速度Ｖをアップしたため、低温熱処理炉１１および高温熱処理炉１４の有効ゾ−ン長における処理時間は、該低温熱処理炉１１で約１２ｓｅｃ、該高温熱処理炉１４で約１８ｓｅｃと短くなった。また、高温熱処理炉１４の下流側に位置するしわ加熱矯正炉５０における処理時間は、約２４ｓｅｃとなり、巻き出し装置１０から引き出されたシ−ト状基材５が、熱処理を終えて巻き取り装置１５でロ−ル状に巻かれるまでの所要時間は約６分であった。
【００３７】
そして、しわ加熱矯正炉５０を経てロ−ル状に巻かれた炭化処理後のシ−ト状基材６は、全幅８０２ｍｍ±１ｍｍで毛羽立ちも目立たなかった。基材表面には所々に僅かな紋様が見られたが、生産速度アップにもかかわらず品位としてはまずまずのレベルのものであった。
【００３８】
尚、シ−ト状基材５の収縮率は、幅方向１９．８％、長さ方向約１４％であった。また、目付測定結果は、８１ｇ／ｍ２で、実施例１に極めて近い値となった。
［比較例１］
シート状基材の製造装置として、図４に示した従来の装置１を用いた。すなわち、前述したように図１の本発明の製造装置２からしわ加熱矯正炉５０を取り除いた装置である。なお、これ以外の製造条件は実施例１と同一条件とした。
【００３９】
得られた炭化処理後のシ−ト状基材６は、全幅８００ｍｍ±１ｍｍで毛羽立ちはなかったが、その表面には高さ１ｍｍ以下で直径６〜８ｍｍの範囲の紋様が、１００ｍｍ角当たり４〜７個ランダムに生じていた。最低の品質基準は満たしているものの、品位の低いものであった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シ−ト状基材を前炭化処理する低温熱処理炉とその後炭化処理する高温熱処理炉を基本構成とする製造工程において、該高温熱処理炉の下流側にしわ加熱矯正炉を設けた構成の熱処理工程としたので、炭化処理後のシ−ト状基材表面に存在していたしわやオレ等の表面欠陥に対する平滑化が一連の熱処理工程の中で連続的に行えるようになり、高品位の燃料電池の電極用シ−ト状基材が低コストで、生産性良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシート状基材の製造装置の概略縦断面図である。
【図２】図１の装置に用いられているしわ加熱矯正炉の概略縦断面図である。
【図３】図２のしわ加熱矯正炉とは異なる態様のしわ加熱矯正炉の概略縦断面図である。
【図４】従来のシ−ト状基材の製造装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１：従来のシート状基材の製造装置
２：本発明のシート状基材の製造装置
５：シ−ト状基材
６：炭化処理後のシ−ト状基材
１０：巻き出し装置
１１：低温熱処理炉
１２：搬送ベルト
１３ａ：搬送装置
１３ｂ：搬送装置
１３ｃ：搬送装置
１４：高温熱処理炉
１５：巻き取り装置
１６：シ−ル機構
１７：入口
１８：出口
５０：しわ加熱矯正炉
５１：入口
５２：出口
５３：被発熱体
５４：発熱体
６０：ガイドロ−ラ
６１：ガイドロ−ラ
６２：しわ伸ばし装置
Ｇ  ：不活性ガス
Ｖ  ：処理速度
Ｒ  ：表面半径
θ１：巻き付き角度
θ２：巻き付き角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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