(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線が略水平に配置された第１のローラと、
前記第１のローラの最上点よりも低い位置に最下点を有し、前記第１のローラと所定距離だけ離れた位置に平行に配置された第２のローラと、
前記第２のローラの外周面に撥水性樹脂を含む液体を供給する液供給手段とを備え、
繊維が液不透過性のフィルムによって支持された状態で、前記第１のローラから前記第２のローラに向けて繰り出され、
前記フィルムの下面が前記第１のローラに当接するとともに、前記繊維の上面が前記第２のローラに当接した状態で両者が搬送される、撥水性材料の製造装置。
【請求項２】
前記第２のローラの幅は、前記繊維の幅よりも広く、かつ前記フィルムの幅よりも狭く形成されている、請求項１に記載の撥水性材料の製造装置。
【請求項３】
前記繊維及びフィルムを前記第２のローラとの間で挟む第３のローラをさらに備え、当該第３のローラの回転軸は前記第２のローラの回転軸よりも下流側に配置されている、請求項１または２に記載の撥水性材料の製造装置。
【請求項４】
前記第２のローラの外周面は、粘着性のある材料で構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の撥水性材料の製造装置。
【請求項５】
前記第２のローラの外周面に接触し、ローラ表面の清掃を行う清掃用ブレードをさらに備えている、請求項１から４のいずれかに記載の撥水性材料の製造装置。
【請求項６】
繊維に撥水性樹脂を含む液体を塗布する方法であって、
軸線が略水平に配置された第１のローラ、及び前記第１のローラの最上点よりも低い位置に最下点を有し前記第１のローラから所定距離だけ離れて平行に配置された第２のローラを準備する工程と、
前記繊維を当該繊維よりも幅の広いガス不透過性のフィルムによって支持した状態で、前記フィルムの下面を第１のローラに当接させつつ前記第２のローラに向けて搬送し、当該第２のローラに前記繊維の上面を当接させつつ、前記繊維及びフィルムを下流へ向けて搬送する工程と、
前記第２のローラの外周面に、撥水性樹脂を含む液体を供給する工程と
を備えている、撥水性材料の製造方法。
【請求項７】
前記第２のローラの幅は、前記繊維の幅よりも広く、かつ前記フィルムの幅よりも狭く形成されている、請求項６に記載の撥水性材料の製造方法。
【請求項８】
前記繊維及びフィルムを前記第２のローラとの間で挟む第３のローラをさらに備え、当該第３のローラの回転軸は前記第２のローラの回転軸よりも下流側に配置されている、請求項６または７に記載の撥水性材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維等の材料に撥水性樹脂を含む液体を塗布することで撥水性材料を製造する製造装置、及び撥水性材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子電解質を用いた燃料電池セルに用いられるガス拡散層は、次のような工程で製造されていた。すなわち、まず、カーボンペーパーやカーボンクロスといった導電性並びにガス拡散性の高い基材にＰＴＦＥ（ポリテトラフル オロエチレン）等のフッ素樹脂のエマルジョン液（以下、ＰＴＦＥ液という）を含浸させたり、ディップコートで形成させることで、撥水処理を行う（例えば、特許文献１）。その後、カーボンブラックとフッ素樹脂からなる層を撥水処理されたカーボンペーパーやカーボンクロス上に形成する。
【０００３】
撥水処理を行う方法は、上述した方法以外にも様々な方法が可能であると言われている。しかしながら、多量のＰＴＦＥ液をカーボンペーパーや繊維に含ませてしまうと、基材の導電性が低下したり、ガス透過性が低下するという問題があり、燃料電池の発電効率低下の原因となってしまう。これを防止するためには、ＰＴＦＥ固形分が数％程度の低粘度のエマルジョン液が用いられる。そして、大量生産の観点からは、フレキシビリティを有するカーボンクロスやカーボンペーパーに低粘度液の塗布・形成が可能なディップコートをする方法が一般的である。
【特許文献１】特開２００５−３２７６０９号公報( 段落「００２５」)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ディップコートによる撥水処理では、液漕に多量のＰＴＦＥ液を溜めておく必要があるため、ＰＴＦＥ液にかかるコストが高いという問題がある。また、カーボンクロスをはじめとする繊維は、その一部がはがれることがあるため、液漕内のＰＴＦＥ液がはがれた繊維によって汚れるという問題がある。特に、燃料電池で用いるカーボンクロスは繊維自体が剥がれやすいため、ディップコートによって長時間の撥水処理を行うと、液漕内に溜まった浮遊繊維がカーボンクロスの表面にＰＴＦＥ液とともに付着するという問題が発生する。これら浮遊繊維は燃料電池のセル組み立て時に、固体高分子電解質を突き破る原因にもなり、欠陥の発生につながると考えられる。
【０００５】
以上のように、ディップコートによって繊維を撥水化する際の問題は、燃料電池に用いられる繊維材料のみならず、一般的な繊維材料の撥水化においても生ずる問題である。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、繊維等の材料の撥水化を低コストで行うことができる撥水性材料の製造装置及び撥水性材料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】
【０００７】
本発明に係る撥水性材料の製造装置は、上記問題を解決するためになされたものであり、軸線が略水平に配置された第１のローラと、前記第１のローラの最上点よりも低い位置に最下点を有し、前記第１のローラと所定距離だけ離れた位置に平行に配置された第２のローラと、前記第２のローラの外周面に撥水性樹脂を含む液体を供給する液供給手段とを備え、繊維が液不透過性のフィルムによって支持された状態で、前記第１のローラから第２のローラに向けて繰り出され、前記フィルムの下面が前記第１のローラに当接するとともに、前記繊維の上面が前記第２のローラに当接した状態で両者が搬送される。
【０００８】
上記構成によれば、第１のローラの最上点よりも低い位置に第２のローラの最下点が配置されるようにしているため、搬送される繊維は、斜め下方に傾斜した状態で第２のローラに接触する。そのため、第２のローラから供給された撥水性樹脂を含む液体は、第２のローラと繊維との接触点の上流側に液溜まりを形成して留まる。こうして、繊維上には、常時液溜まりが形成されるため、粘度の低い撥水性樹脂を含む液体であっても十分に繊維に含浸する。このように、液体が十分に繊維に含浸するものの、ディップコートのように液漕を満たすのに比べ、使用される液体の量を大幅に低減することができる。その結果、製造コストの低減が可能になる。なお、本発明でいう撥水性樹脂を含む液体とは、撥水性樹脂が溶媒に溶解した溶液のほか、エマルジョン液も含むものとする。また、撥水性樹脂を含む液体は、第２のローラの外周面の上流側に供給することができる。
【０００９】
上記装置においては、第２のローラの幅を、繊維の幅よりも広く、かつフィルムの幅よりも狭く形成することが好ましい。繊維及びフィルムは張力を持って搬送されるため、上記のように構成すると、第２のローラの両側からはみ出したフィルムは上方に折れ曲がる。そのため、ローラの両側に壁ができ、液溜まりに溜まった液体が両側から流れ出すのを確実に防止することができる。その結果、液体の液溜まりを確実に形成することができ、液体を繊維に対して含浸させることができる。
【００１０】
また、上記装置において、繊維及びフィルムを第２のローラとの間で挟む第３のローラをさらに設け、この第３のローラの回転軸を第２のローラの回転軸よりも下流側に配置することが好ましい。このようにすると、繊維に含浸した余分な液体を第２及び第３のローラでこし取ることができる。
【００１１】
また、第２のローラの外周面を、粘着性のある材料で構成することが好ましい。この構成によれば、例えば、繊維から剥がれた一部の繊維を第２のローラに付着させることができる。そのため、剥がれた浮遊繊維が、繊維自身に再度付着するのを防止することができる。なお、上記繊維には巻取り可能としたカーボンペーパー等、導電性を有する紙類も含まれ、上述したような効果を得ることができる。
【００１２】
また、第２のローラの外周面に接触し、ロール表面の清掃を行う清掃用ブレードをさらに設けることが好ましい。これにより、第２のロールの表面を綺麗な状態に維持することができる。
【００１３】
また、本発明は、繊維に撥水性樹脂を含む液体を塗布する方法であって、上記問題を解決するためになされたものであり、軸線が略水平に配置された第１のローラ、及び前記第１のローラの最上点よりも低い位置に最下点を有し前記第１のローラから所定距離だけ離れて平行に配置された第２のローラを準備する工程と、前記繊維を当該繊維よりも幅の広いガス不透過性のフィルムによって支持した状態で、前記フィルムの下面を第１のローラに当接させつつ前記第２のローラに向けて搬送し、当該第２のローラに前記繊維の上面を当接させつつ、前記繊維及びフィルムを下流へ向けて搬送する工程と、前記第２のローラの外周面に、撥水性樹脂を含む液体を供給する工程とを備えている。
【００１４】
上記方法において、第２のローラの幅を、繊維の幅よりも広く、かつフィルムの幅よりも狭く形成することが好ましい。
【００１５】
また、繊維及びフィルムを第２のローラとの間で挟む第３のローラをさらに設け、この第３のローラの回転軸を第２のローラの回転軸よりも下流側に配置することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る撥水化材料の製造装置及び製造方法によれば、繊維の撥水化を低コストで行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る撥水性材料の製造装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、特に、固体高分子型燃料電池用のガス拡散層を製造する場合について説明する。図１は本実施形態に係る製造装置の概略構成を示す側面図である。
【００１８】
本実施形態に係る撥水性材料の製造装置は、カーボンクロスにＰＴＦＥのエマルジョン液（以下、単にＰＴＦＥ液という）を含浸させて撥水化を行うものである。図１に示すように、この装置は、カーボンクロスが巻き取られた繊維ロール１、ＰＥＴフィルムが巻き取られたフィルムロール３、及びこれらから繰り出されたカーボンクロスＣとＰＥＴフィルムＦとを一体化して下流に繰り出す繰り出しローラ５（第１のローラ）とを備えている。繰り出しローラ５は、繊維ロール１及びフィルムロール３の上方に配置されており、その下流側には、ＰＴＦＥ液を供給する液供給ローラ７（第２のローラ）、乾燥炉９、中間ローラ１１がこの順で配置されている。さらに、中間ローラ１１の下流には、撥水化されたカーボンクロスＣを巻き取る第１巻き取りローラ１３、及びその上流側でＰＥＴフィルムＦを巻き取る第２巻き取りローラ１４が配置されている。
【００１９】
繊維ロール１は、フィルムロール３の上流側に配置されており、ＰＥＴフィルムＦはカーボンフィルムＣの下面側から繰り出される。そのため、ＰＥＴフィルムＦは、カーボンクロスＣの下面に接触するようにして、繰り出しローラ５の上面側に巻き取られ、一体となった状態で下流側に繰り出される。ここで用いられるカーボンクロスＣの幅は、ＰＥＴフィルムＦよりも狭くなっており、カーボンクロスＣはＰＥＴフィルムＦ上に配置された状態で下流へと搬送される。なお、繰り出しローラ５の幅は、ＰＥＴフィルムＦの幅よりも広くなっている。
【００２０】
液供給ローラ７は、その表面がゴムによって形成され、さらにＰＥＴフィルムＦの幅よりも狭く、かつカーボンクロスＣの幅よりも広い幅を有している。そして、その下方には、これと接触するようにやや下流側に配置された挟みローラ１５（第３のローラ）が設けられており、これら液供給ローラ７と挟みローラ１５の間をカーボンクロスＣとＰＥＴフィルムＦが通過する。挟みローラ１５の幅は、ＰＥＴフィルムＦよりも広くなっている。このとき、液供給ローラ７の最下点Ａは、繰り出しローラ５の最上点Ｂよりも下方に位置しており、これによって繰り出しローラ５から繰り出されたカーボンクロスＣとＰＥＴフィルムＦは、斜め下方に向けて搬送され、液供給ローラ７と挟みローラ１５との間を通過するようになっている。また、液供給ローラ７の上流側には、ＰＴＦＥ液を供給する液供給装置（液供給手段）１７が配置されている。この液供給装置１７は、液供給ローラ７の外周面にＰＴＦＥ液を幅方向に均一に供給する。さらに、液供給ローラ７の下流側には、ローラの外周面に付着したＰＴＦＥ液を掻き取るためのドクターブレード１９が配置されている。なお、ドクターブレード１９の代わりに汚れを除去するためのローラを配置することもできる。
液供給ローラ７の下流に配置された乾燥炉９は、公知の乾燥炉であり、ＰＴＦＥ液が含浸されたカーボンクロスＣを乾燥させるためのものである。カーボンクロスＣは、約１３０℃で乾燥され、中間ローラ１１の上面側を通過した後、その下方に配置された第１巻き取りローラ１３で巻き取られる。
【００２１】
次に、上記のように構成された装置によるカーボンクロスの撥水化工程について図１から図３を参照しつつ説明する。図２は、液供給ローラとカーボンクロスとの接触点の拡大断面図であり、図３は図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【００２２】
繊維用ロール１及びフィルムロール３が回転駆動すると、これらからカーボンクロスＣ及びＰＥＴフィルムＦが繰り出される。そして、これらは繰り出しローラ５において一体となるように巻き取られ、ＰＥＴフィルムＦがカーボンクロスＣを支持した状態で下流に繰り出される。そして、液供給ローラ７と挟みロール１５との間を通過する際に、液供給ローラ７からＰＴＦＥ液が供給される。液供給ローラ７は、カーボンクロスＣの搬送方向に回転するため、その回転とともにＰＴＦＥ液は、下方のカーボンクロスＣに向けて流れ落ちる。このとき、ＰＥＴフィルムＦ及びカーボンクロスＣは、傾斜した状態で液供給ローラ７の下面に接触するため、図２に示すように、カーボンクロスＣと液供給ローラ７との接触点の上流側には、ＰＴＦＥ液が留まるようになり、これがＰＴＦＥ液の液溜まりＳになる。さらに、液供給ローラ７の幅は、カーボンクロスＣより広く、ＰＥＴフィルムＦよりも狭いため、張力の作用により液供給ローラ７からはみ出したＰＥＴフィルムＦは、上方に引っ張られる。これによって、図３に示すように、液溜まりＳの近傍では、両側に壁が形成され、ＰＴＦＥ液が幅方向に流れ出すのが防止される。
【００２３】
こうして、カーボンクロスＣ上には液溜まりＳが形成されてＰＴＦＥ液が留まるため、このＰＴＦＥ液がカーボンクロスＣに含浸する。なお、カーボンクロスＣの下面側に配置されたＰＥＴフィルムＦは、液不透過性であるため、ＰＴＦＥ液がカーボンクロスＣを透過しても下方に流れ落ちることはない。そして、カーボンクロスＣ及びＰＥＴフィルムＦは、液供給ローラ７と挟みローラ１５との間を通過する際に押圧され、余分なＰＴＦＥ液がこし取られる。そして、液供給ローラ７上に付着したＰＴＦＥ液は、ドクターブレード１９によって掻き取られ、除去される。その後、乾燥炉９を通過して、乾燥されたカーボンクロスＣは中間ローラ１１を通過し、ＰＥＴフィルムＦと分離される。そして、カーボンクロスＣは第１巻き取りローラ１３に巻き取られるとともに、ＰＥＴフィルムＦは第２巻き取りローラ１４に巻き取られる。最後に、巻き取られたカーボンクロスＣのロールをバッチ式の焼結炉において約３５０℃で約１時間程度焼成すると、ＰＴＦＥの撥水性が発現する。
【００２４】
以上のように、本実施形態によれば、繰り出しローラ５の最上点Ｂよりも低い位置に液供給ローラ７の最下点Ａが配置されるようにしているため、カーボンクロスＣは、斜め下方に傾斜した状態で液供給ローラ７に接触する。そのため、液供給ローラ７から供給されたＰＴＦＥ液は、液供給ローラ７とカーボンクロスＣとの接触点の上流側に液溜まりＳを形成して留まる。こうして、カーボンクロスＣ上には、常時ＰＴＦＥ液が供給されるため、粘度の低いＰＴＦＥ液であっても十分にカーボンクロスＣに含浸する。このように、ＰＴＦＥ液が十分にカーボンクロスＣに含浸するものの、使用されるＰＴＦＥ液は、ディップコートのように液漕にＰＴＦＥ液を満たすほど必要がないため、使用量を大幅に低減することができる。その結果、製造コストの低減が可能になる。
【００２５】
また、挟みローラ１５は、液供給ローラ７の下流側に配置されているため、液供給ローラ７の最下点Ａの下方に空間を形成することができ、この空間に液溜まりＳが形成される。これによって液溜まりＳの面積を広げることができ、ＰＴＦＥ液をカーボンクロスＣに確実に含浸させることができる。したがって、剥がれた繊維の付着も防止することができる。また、液供給ローラ７の外周面はゴムで形成されているため、たとえ繊維の一部が剥がれたとしても、これらはローラ７に付着し、その後、ドクターブレード１９で掻き取られるため、カーボンクロスＣに付着するのを防止することができる。
【００２６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、液供給ローラ７の下方に挟みローラ１５を配置しているが、その代わりに例えば平らな台を配置し、この台と液供給ローラとの間にカーボンクロスを通過させるようにすることもできる。
【００２７】
上記実施形態では、カーボンクロスとＰＥＴフィルムとを別々のロールから繰り出しているが、予めカーボンクロスとＰＥＴフィルムとを重ねて巻き取ったロールを準備し、これを液供給ローラ７に向けて繰り出すこともできる。また、このロールを繰り出しローラとして直接液供給ローラに向けて繰り出すこともできる。
【００２８】
上記説明では、カーボンクロスの下面にＰＥＴフィルムを配置しているが、カーボンクロスの下面に配置するフィルムは、上記のようにＰＴＦＥ液が下方に流れ出すのを防止できるようなフィルム、つまり液不透過性のフィルムであれば、特には限定されない。
【００２９】
上記実施形態では、液透過性のカーボンクロスにＰＴＦＥ液を含浸させることで撥水化する方法について説明したが、本発明に係る撥水性材料の製造方法は、これに限定されるものではなく、撥水性樹脂を含む液体を繊維に含浸させる方法全般に関するものである。したがって、対象となる繊維は、カーボンクロスに限定されるものではなく、不織布等の種々の繊維に適用できる。また、繊維以外にも、カーボンペーパー等のカーボン等の導電性繊維からなる紙類に適用することも可能である。また、撥水性樹脂を含む液体も、ＰＴＦＥに限定されず、フッ素系の樹脂であれば用いることができる。その他、種々の液体、例えば、ジメチルシリコーンオイルやメチルハイドジエンシリコーンオイル等のシリコーン撥水剤を用いることができる。また、そして、本発明は、上述したように、繊維上に凹形の液溜まりを形成するため、粘度の低い撥水樹脂の溶液やエマルジョン液であっても、少量で用いることが可能である。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。この実施例では、図１に示す装置を用いることとする。
【００３１】
厚さ１００μｍ、幅３００ｍｍのＰＥＴフィルムと、厚さ２５０μｍ、幅２００μｍのカーボンクロスのロールを準備する。そして、これらをセットした後、１０ｋｇの張力が作用するようにし、繰り出しローラ５を介して液供給ローラ７へ繰り出していく。液供給ローラ７の幅は２５０ｍｍであり、挟みローラ１３の幅は３５０ｍｍとした。また、液供給ローラ７からカーボンクロスに作用する圧力は２ｋｇとなるようにした。ここで用いるＰＴＦＥ液は、ＰＴＦＥ０．６％、ポリオキシエチレンアルキルエーテル０．００４％、水９９．３５％、界面活性剤０．０１％以下という組成とした。また、乾燥炉９は、１４０℃となるように設定した。
【００３２】
上記のようなカーボンクロス及びＰＥＴフィルムを約０．５ｍ／ｓの速度で繰り出したところ、液供給ローラ７とカーボンクロスとの接触点の上流側に液溜まりＳが形成されているのが確認された。そして、この液溜まりＳにより、ＰＴＦＥ液はカーボンクロスに十分に含浸されていた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る撥水性材料の製造装置の一実施形態の概略構成を示す側面図である。
【図２】液供給ローラとカーボンクロスとの接触点の拡大断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
５    繰り出しローラ（第１のロール）
７    液供給ローラ（第２のローラ）
１７  液供給装置（液供給手段）
１９  ドクターブレード
【図１】
0004725355.tif 000002
【図２】
0004725355.tif 000003
【図３】
0004725355.tif 000004