(57)【要約】【課題】より拡散層の製造工程を改善できる拡散層製造装置および製造方法を提供する。【解決手段】連続ベルト装置３００によりカーボンペーパ１０を、加熱炉２００へ向かって搬送する。加熱炉２００に至る前に焼成物質と揮発性物質との混合物である撥水塗布剤塗布後のカーボンペーパをさらに搬送し、加熱炉２００に搬入する。カーボンペーパ１０が加熱されると、その熱は焼成物質に直ぐに伝えられる。ＰＴＦＥはカーボン粉末を巻き込んで溶着し、カーボンとＰＴＦＥは焼成され、カーボンペーパ１０表面に焼き固められる。この焼成工程に遅れて、揮発性物質の揮発工程も起こる。この揮発性物質の揮発工程を促進させるため、ガス射出機構３０のガス噴射口３４からカーボンペーパ１０に略平行に高温ガスを噴出して当て、揮発性を向上させる。このようにして焼成物質を焼成し、揮発性物質を揮発させて、カーボンペーパ１０から拡散層８０を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼成物質と揮発性物質とを含む撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を加熱し、前記焼成物質を焼成し、前記揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する拡散層製造装置であって、
ガスを射出することにより、前記加熱中の拡散層形成材表面の前記揮発性物質を吹き飛ばすガス射出手段を含む拡散層製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の製造装置であって、
前記ガス射出手段について、
前記ガスの射出方向は、拡散層形成材の表面に対して略平行方向である製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造装置であって、
さらに、
前記撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を搬送する搬送手段を有し、
前記ガス射出手段について、
前記ガスの射出方向は、拡散層形成材が搬送される方向と逆方向である製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の製造装置であって、
前記ガスは高温ガスである製造装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の製造装置であって、
さらに、
前記ガス射出手段より、ガスが射出される方向の下流に揮発性物質を排気する排気口を有する製造装置。
【請求項６】
拡散層形成材に焼成物質と揮発性物質とを含む撥水塗布剤を塗布し、加熱して前記焼成物質を焼成し、前記揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する拡散層製造方法であって、
前記加熱中に、ガスを射出することにより拡散層形成材表面の前記揮発性物質を吹き飛ばすガス射出工程を含む製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の製造方法であって、
前記ガス射出工程について、
前記ガスの射出方向は、前記拡散層形成材の表面に対して略平行方向である製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の製造方法であって、
さらに、
前記撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を搬送する搬送工程を有し、
前記ガス射工程について、
前記ガスの射出方向は、拡散層形成材が搬送される方向と逆方向である製造方法。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか１つに記載の製造方法であって、
前記ガスは高温ガスである製造方法。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれか１つに記載の製造方法であって、
さらに、
前記ガス射出によりガスが射出される方向の下流側から排気する排気工程を有する製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は拡散層製造装置および製造方法、特に拡散層形成材に焼成物質と揮発性物質とを含む撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を加熱し、前記焼成物質を焼成し、前記揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられるＭＥＡ（膜−電極接合体）の一部材となる拡散層は、カーボンクロスやカーボンペーパといった拡散層形成材に撥水塗布剤が塗布され、この塗布された撥水塗布剤中に含まれる焼成物質が焼成されて製造される。この撥水塗布剤は焼成物質と揮発性物質とを含んでいる。焼成物質は、カーボン粉末等の導電性物質とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の撥水性物質からなるのが通常である。また、揮発性物質は、上記導電性物質と上記撥水性物質を親和させる界面活性剤と水等の溶媒とからなるのが通常である。これら焼成物質と揮発性物質が撥水塗布剤中に必要となるのは以下の理由からである。
【０００３】
拡散層においては、フラッディングの防止等、水をはじくために撥水性物質を塗布し、焼成して拡散層に焼き固める必要がある。ところが、撥水性物質はＰＴＦＥ等、非導電性物質であることが多く、これを拡散層に焼き固めたのでは拡散層全体、ひいてはＭＥＡ全体の導電性が低下してしまうことになる。そこで、導電性の低下を防止するために、非導電性物質である撥水性物質に導電性物質であるカーボン粉末等を添加して、導電性の低下を防止する必要がある。よって、焼成物質には撥水性物質だけでなく、導電性物質も含まれる必要がある。
【０００４】
しかしながら、ＰＴＦＥ等の撥水性物質とカーボン等の導電性物質とは、非親和性であることが多く、これらを水等の溶剤に溶かしても分離してしまい、塗布に便宜なペースト状の塗布剤とすることができない。そこで、これらを親和させペースト状の塗布剤とするために界面活性剤が必要となる。よって、揮発性物質には、水等の溶剤だけでなく、導電性物質と撥水性物質を親和させる界面活性剤も含まれることになる。
【０００５】
従来から、加熱炉中で焼成工程を行い、この工程において、溶剤と界面活性剤の揮発性物質を揮発させ、導電性物質と撥水性物質を焼き固めて、拡散層を製造することとしていた。
【０００６】
下記特許文献１には、燃料電池とくに固体高分子型燃料電池のガス拡散層・導電シートなどに使用される強度・柔軟性の高い炭素電極基材の製造方法が開示されている。ここで加熱プレス工程を電極基材の強度向上のために用い、さらに、加熱プレスの後、窒素雰囲気下で１２００℃以上の温度で焼成を行うことが報告されている。また、生産性および長尺ものを好適に製造できるという観点から、連続焼成炉を用いて連続的に行うことが好ましいことが報告されている。
【０００７】
下記特許文献２には、燃料電池用電極基板が開示され、炭素繊維と粉粒状の熱可塑性樹脂を特定の割合で乾式混合し、混合物を熱ロールや熱プレスによりシート状に加圧成形し、炭化または黒鉛化処理する方法が開示されている。下記特許文献３には、炭素予備成形体が、圧縮成形された後、炭化または黒鉛化する焼成工程に共せられることが開示されている。下記特許文献４には、有機溶媒を炭素繊維基材に被着し、焼成炭化してなる電極基板が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２７０１９１号公報
【特許文献２】特公平１−３６６７０号公報
【特許文献３】特開平５−２０５７５０号公報
【特許文献４】特開平１０−２２３２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術においては加熱して焼成物質を焼成させ、揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する際に、時間を要してしまう場合がある。すなわち、焼成物質を拡散層形成材に焼き固める際に、揮発性物質の揮発速度が遅いことによって、揮発性物質が揮発せず、焼成工程に時間を要することを見出した。焼成物質の焼成は、ＰＴＦＥ等の撥水性物質が加熱により溶融しやすく、カーボン等の導電性物質を巻き込んでスムーズに拡散層形成材に融着して焼き固められる。しかしながら、揮発性物質が揮発する速度はこの融着と比較して遅く、この揮発性物質が揮発することが焼成工程における全体の律速段階となっている。さらには、撥水塗布剤中の揮発性物質は拡散層形成材の表面に厚く堆積し、この堆積が揮発性物質の揮発をより一層妨げている。
【００１０】
本発明は、上記課題等に鑑みてなされたものであり、より拡散層の製造工程を改善できる拡散層製造装置および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】
本発明の焼成物質と揮発性物質とを含む撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を加熱し、前記焼成物質を焼成し、前記揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する拡散層製造装置は、ガスを射出することにより、前記加熱中の拡散層形成材表面の前記揮発性物質を吹き飛ばすガス射出手段を含むことを特徴とする。
【００１２】
揮発性物質を吹き飛ばすことで、拡散層形成材の表面の揮発性物質を薄くし、薄くなった状態の揮発性物質を加熱して揮発させることで揮発速度を向上させることができ、拡散層製造速度の向上が図れる。
【００１３】
上記拡散層製造装置は、前記ガス射出手段について、前記ガスの射出方向は、拡散層形成材の表面に対して略平行方向であると好適である。拡散層形成材の表面に対して略平行方向に揮発性物質を吹き飛ばすことで効率的に揮発性物質を揮発させ、揮発速度のさらなる向上が図れる。
【００１４】
上記拡散層製造装置は、さらに、前記ガス射出手段より前記揮発性物質が吹き飛ばされる方向に、揮発性物質を排気する排気手段を有すると好適である。
【００１５】
上記拡散層製造装置について、さらに、前記撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を搬送する搬送手段を有し、前記ガス射出手段について、前記ガスの射出方向は、拡散層形成材が搬送される方向と逆方向であると好適である。揮発性物質を搬送方向と逆方向に吹き飛ばすことで、揮発性物質を効率的に揮発させることができる。
【００１６】
上記拡散層製造装置について、前記ガスは高温ガスであると好適である。吹き飛ばすと同時に、高温ガスによる揮発性物質を揮発させる効果等も得ることができる。
【００１７】
本発明の拡散層形成材に焼成物質と揮発性物質とを含む撥水塗布剤を塗布し、加熱して前記焼成物質を焼成し、前記揮発性物質を揮発させて拡散層を形成する拡散層製造方法は、前記加熱中に、ガスを射出することにより拡散層形成材表面の前記揮発性物質を吹き飛ばすガス射出工程を含むことを特徴とする。
【００１８】
上記拡散層製造方法は、前記ガス射出工程について、前記ガスの射出方向は、前記拡散層形成材の表面に対して略平行方向であると好適である。
【００１９】
上記拡散層製造方法について、さらに、前記撥水塗布剤が塗布された拡散層形成材を搬送する搬送工程を有し、前記ガス射工程について、前記ガスの射出方向は、拡散層形成材が搬送される方向と逆方向であると好適である。
【００２０】
上記拡散層製造方法について、前記ガスは高温ガスであると好適である。
【００２１】
上記拡散層製造方法について、さらに、前記ガス射出によりガスが射出される方向の下流側から排気する排気工程を有すると好適である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、より拡散層の製造工程を改善できる拡散層製造装置および製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
「拡散層製造装置」
図１には本実施形態の拡散層製造装置１００が示される。この拡散層製造装置１００は、加熱手段である加熱炉２００と搬送手段である連続ベルト装置３００から構成される。なお、ワークである拡散層形成材を固定して加熱する装置であれば、連続ベルト装置３００は必ずしも必要とはならない。拡散層形成材であるカーボンペーパ１０は連続ベルト装置３００により、途中、撥水塗布剤を塗布され（図示せず）、加熱炉２００に搬入され、焼成されて製造した拡散層８０を加熱炉２００から搬出される。加熱炉２００は、カーボンペーパ１０上に撥水塗布剤が塗布されたカーボンペーパ１０を加熱して焼成する加熱ヒータ２０ａ、２０ｂを備えている。加熱ヒータ２０ａは加熱炉２００内のカーボンペーパ１０の直下に備えら、カーボンペーパ１０を直接的に加熱できる。また、加熱ヒータ２０ｂは加熱炉２００の上部にカーボンペーパ１０から離れて備えられ、加熱炉２００の内気全体を高温化し、高温化した内気を通じて間接的にカーボンペーパ１０を加熱できる。加熱炉２００は、ガスを加熱炉２００内でカーボンペーパ１０に対して射出するガス射出機構３０を備えている。ガス射出機構３０は加熱炉２００の搬出方向側に備えられている。加熱炉２００は、このガス射出機構に導入されるガス４０を、高温化する加熱ヒータ５０を備えている。加熱炉２００は、揮発物等の不必要な気体を排気する排気口７０を有している。この排気口７０は不必要な気体を排気しやすいように加熱炉２００のカーボンペーパ１０の搬入方向側の上部に備えられている。
【００２５】
「撥水塗布剤」
撥水塗布剤は、撥水剤としてのＰＴＦＥ樹脂、導電性物質としてのカーボン粉末、溶剤としての水、ＰＴＦＥ樹脂とカーボン粉末を親和させペースト状とする界面活性剤を含んでいる。これらのうちＰＴＦＥ樹脂とカーボン粉末は、加熱炉２００内で加熱ヒータ２０ａにより直接的に加熱、または加熱ヒータ２０ｂにより間接的に加熱されて焼成され、カーボンペーパ１０に焼き固められる焼成物質である。また、水と界面活性剤は加熱炉２００内で加熱ヒータ２０ａにより直接的に加熱、または加熱ヒータ２０ｂにより間接的に加熱され、カーボンペーパ１０上から揮発する揮発性物質である。撥水塗布剤の塗布方法は一般的なものを用いることができる。
【００２６】
「カーボンペーパ（拡散層形成材）」
拡散層形成材となるカーボンペーパ１０は、加熱炉２００に搬入される前に撥水塗布剤が塗布される。加熱炉２００から搬出され、焼成工程が完了した拡散層８０は、ＰＴＦＥ樹脂とカーボン粉末がカーボンペーパ１０の表面に焼成され、焼き固められ、かつ、水と界面活性剤がカーボンペーパ１０から揮発したものである。拡散層形成材はカーボンペーパ以外にもカーボンクロス等一般に拡散層を形成するものであれば代用可能である。
【００２７】
「ガス射出機構」
ガス射出機構３０は、外部吸入口３２から導入ガス４０を加熱炉２００内に吸入し、吸入した導入ガス４０を加熱ヒータ５０により高温ガス化し、ガス噴射口３４から高速に噴出できる機構を備えている。ガス噴射口３４は、焼成されるカーボンペーパ１０と略平行方向に向けられ、カーボンペーパ１０に導入ガス４０を略平行方向に吹き付けることができる。さらに、ガス噴射口３０は、カーボンペーパ１０が搬送される方向に対して対面方向に有する。このようなガス噴射口３０の配置となることにより、導入ガス４０を噴出してカーボンペーパ上の揮発性物質中に含まれる揮発性物質を効率よく、加熱炉２００のカーボンペーパ１０の搬入側に吹き飛ばすことができる。カーボンペーパ１０の上に堆積した揮発性物質を吹き飛ばし、堆積量を少なくし、カーボンペーパ１０上の揮発性物質を薄層化することができる。薄層化した揮発性物質は加熱炉２００内の加熱により、堆積時と比較して揮発性が向上し、揮発性物質全体の揮発速度が向上する。また、吹き飛ばされた揮発性物質は噴出高温ガスの熱により、または加熱炉２００の内気の熱により、あるいは吹き飛ばされて被着したカーボンペーパ１０からの熱により揮発する。揮発性物質の揮発過程が焼成物質の焼成過程よりも時間を要し、律速段階となっていたが、本実施形態ではこの揮発過程の時間を削減し、ひいては焼成過程全体に要する時間を削減することができる。
【００２８】
ガス射出機構３０は、カーボンペーパ１０上の撥水塗布剤中の揮発性物質を吹き飛ばす構成であればよい。ガス噴射方向はカーボンペーパ１０と略平行方向に限られない。例えば、ガス射出口３４をカーボンペーパ１０上に対して垂直方向に向け、ガス射出をカーボンペーパ１０に対して垂直に行う垂直噴射構成も採用できる。このような垂直噴射構成であっても、カーボンペーパ１０上の揮発性物質は薄層化することができ、揮発過程の速度向上は望めるからである。
【００２９】
しかしながら、以下の構成（ｉ）〜（ｉｖ）のうち少なくとも１つを含むと拡散層の形成過程に好適であることがわかった。より好ましくはこれら構成（ｉ）〜（ｉｖ）を多く含むことである。
【００３０】
（ｉ）ガス噴射方向が略平行方向であること。
（ｉｉ）ガス噴射方向が搬送される方向に対して対面方向であること。
本発明者は（ｉ）および（ｉｉ）の条件下に、焼成工程を行った結果、ガス噴射を用いない従来の加熱プレス焼成に比べ焼成工程に要する時間が１／３０にまで削減された。
（ｉｉｉ）ガス噴射速度がより大きいこと
ガス噴射速度が大きいほどカーボンペーパ１０上の堆積した揮発性物質をより薄層化することができ、揮発速度が向上する。
（ｉｖ）ガス噴射方向に排気口があること
加熱炉２００の吹き飛ばし方向には、排気口７０が備えられている。揮発した揮発性物質は吹き飛ばし方向に排気口７０があることから、内気循環的に効率よく排気することができる。
【００３１】
「拡散層製造方法」
図１の拡散層製造装置を用いて、カーボンペーパ１０から拡散層８０を製造する方法について説明する。連続ベルト装置３００によりカーボンペーパ１０を、加熱炉２００へ向かって搬送する（搬送速度１５０ｍｍ／ｍｉｎ）。加熱炉２００に至る前にＰＴＦＥ樹脂とカーボン粉末の焼成物質と水と界面活性剤の揮発性物質との混合物である撥水塗布剤（ペースト状）をカーボンペーパ１０表面に塗布する。塗布後のカーボンペーパをさらに搬送し、加熱炉２００に搬入する。カーボンペーパ１０は、加熱されやすく搬入直後からヒータの温度（３５５±５℃）に加熱される。カーボンペーパ１０が加熱されると、その熱は焼成物質に直ぐに伝えられる。ＰＴＦＥはカーボン粉末を巻き込んで溶着し、カーボンとＰＴＦＥは焼成され、カーボンペーパ１０表面に焼き固められる。この焼成工程に遅れて、揮発性物質の揮発工程が起こる。この揮発性物質の揮発工程を促進させるために、ガス射出機構３０のガス噴射口３４からカーボンペーパ１０に略平行に高温ガスを噴出して当て、揮発性物質を薄層化する。薄層化した揮発性物質は容易に加熱され、迅速に揮発する。また、高温ガスで搬入方向へ吹き飛ばすことにより、噴出高温ガスの熱により、または加熱炉２００の内気の熱により、あるいは吹き飛ばされて被着したカーボンペーパ１０からの熱により揮発する効果も得られる。さらには、加熱炉２００の吹き飛ばし方向には、排気口７０が備えられている。揮発した揮発性物質は吹き飛ばし方向に排気口７０があることから、揮発した揮発性物質を効率よく排気することができる。以上のように揮発性を向上させ、焼成物質の焼き固めに揮発工程が遅れることを防止し、焼成工程を迅速に行う。このようにして焼成物質を焼成し、揮発性物質を揮発させて、カーボンペーパ１０から拡散層８０を製造する。製造した拡散層８０を加熱炉２００から搬出し、次工程（白金ペーストの塗布、ＭＥＡ接合等）へと移行する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
燃料電池一般に用いられる拡散層の製造に適用できる。例えばＦＣ自動車等へ搭載される燃料電池一般の拡散層の製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の拡散層製造装置である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  カーボンペーパ、２０，５０  加熱ヒータ、３０  ガス射出機構、４０  導入ガス、６０  排気ガス、７０  排出口、８０  拡散層、１００  拡散層製造装置、２００  加熱炉、３００  連続ベルト装置。
【図１】
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