(57)【要約】【課題】従来に比べて焼成時間が短く、エネルギ効率の良い拡散層形成材の焼成方法を提供する。【解決手段】少なくとも導電性粒子１１及び疎水性粒子１３を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液と、を備えたペースト材１５を基材１４に塗布した拡散層形成材１０を焼成するための方法であって、該拡散層形成材の焼成方法は、前記ペースト材１５の表面から前記揮発性溶液中の少なくとも前記界面活性剤を気化させてガスＧを生成する工程Ａと、少なくとも酸素ガスを含む雰囲気において前記気化させた気化ガスＧの着火点まで加熱して、ペースト材１５の表面において気化ガスＧを燃焼させる工程Ｂと、を少なくとも含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも導電性粒子及び疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液と、を備えたペースト材を、基材に塗布した拡散層形成材を焼成するための方法であって、
該拡散層形成材の焼成方法は、前記ペースト材の表面から前記揮発性溶液中の少なくとも前記界面活性剤を気化させて気化ガスを生成する工程と、
酸素ガスを含む雰囲気において、少なくとも前記気化ガスの着火点まで該気化ガスを加熱して、前記ペースト材の表面において前記気化ガスを燃焼させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする拡散層形成材の焼成方法。
【請求項２】
前記燃焼工程において前記気化ガスの燃焼温度を測定し、該燃焼温度に基づいて、前記拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付けることを特徴とする請求項１に記載の拡散層形成材の焼成方法。
【請求項３】
少なくとも導電性粒子及び疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液と、を備えたペースト材を、基材に塗布した拡散層形成材を焼成するための装置であって、
該拡散層形成材の焼成装置は、前記ペースト材の表面から前記揮発性溶液中の少なくとも前記界面活性剤を気化させて気化ガスを生成させるガス生成部と、
少なくとも前記気化ガスの着火点まで加熱して、前記ペースト材の表面において前記気化ガスを燃焼させる燃焼部と、
を少なくとも備えることを特徴とする拡散層形成材の焼成装置。
【請求項４】
前記焼成装置は、前記気化ガスの燃焼温度を測定する燃焼温度測定部と、前記拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付ける吹付け部と、をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の拡散層形成材の焼成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する拡散層を形成する材料（拡散層形成材）の焼成装置及び焼成方法に係り、特に、短時間かつ低コストに拡散層形成材を焼成することができる焼成装置及び焼成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）９５を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ９６，９６で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池９０を形成している。膜電極接合体９５は、イオン交換膜である電解質膜９１の一方側にアノード側の電極（触媒層）９３ａと拡散層９４ａを積層し、他方の側にカソード側の電極（触媒層）９３ｂと拡散層９４ｂを積層した構造を有する。
【０００４】
ところで、前記燃料電池において、各電極に設けられた拡散層は、一般的に、カーボンペーパーやカーボンクロス等のシート状に成形されたカーボン繊維を基材とした拡散層形成材からなる。例えば、該拡散層形成材の製造にあたっては、まず、カーボンなどからなる導電性粒子と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などからなる疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液とを、混合したペースト材を製造する。次に、このペースト材を前記基材の表面に塗布し拡散層形成材とし、該拡散層形成材の焼成を行う。
【０００５】
ここで、導電性粒子は、拡散層の電子導電性を確保することを目的としてペースト材に含まれるものであり、疎水性粒子は、拡散層形成材に撥水性をもたせ、触媒層や拡散層内での水分の滞留によるフラッディングを防止することを目的として、ペースト材に含まれるものである。また、界面活性剤は、これら粒子を均一に溶媒中に分散させるために、ペースト材に含まれるものである。
【０００６】
そして、ペースト材の塗布後の拡散層形成材の焼成において、拡散層形成材を所定の加熱温度条件で加熱することにより、疎水性粒子を導電性粒子のバインダーとして溶融させると共に、基材及びペースト材に含まれる揮発性溶液を揮発させて、該溶液の除去を行う（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−５９２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記焼成方法を用いた場合には、界面活性剤の分解点及び揮発点は高く、拡散層形成材から全ての溶液の除去を行うには、ペースト材に付与すべきエネルギの消費量は大きい。そこで、生産性を上げるべく、より加熱温度を高温にして短時間で焼成を行うことも考えられるが、例えば疎水性粒子にＰＴＦＥなどを用いた場合には、該ＰＴＦＥが分解する温度及び界面活性剤の揮発点を考慮すると、３６０℃程度の加熱条件で、前記焼成を行わなければならない。そして、このような加熱温度では、焼成に数十時間も要する場合があり、焼成時間が長くなってしまう。
【０００８】
また、前記疎水性粒子の分解温度を考慮した場合であっても、焼成により溶媒中の界面活性剤が気化して可燃性を有する気化ガスとなるため、このような可燃性ガスの発火を防止すべく、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下で前記焼成を行う必要がある。また、さらなる作業安全性を考慮すると、焼成装置の設備そのものが大型化してしまうことがある。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来に比べて焼成時間が短く、安価でかつエネルギ効率の良い拡散層形成材の焼成方法及び焼成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、発明者は、鋭意検討を重ねた結果、焼成時において界面活性剤が気化した気化ガスが可燃性ガスであることに着目し、拡散層形成材の焼成エネルギを与える燃料として前記可燃性ガスを燃焼させることにより、好適に拡散層形成材の焼成を行うことができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る拡散層形成材の焼成方法は、少なくとも導電性粒子及び疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液と、を備えたペースト材を基材に塗布した拡散層形成材を焼成するための方法であって、該拡散層形成材の焼成方法は、前記ペースト材の表面から前記揮発性溶液中の少なくとも前記界面活性剤を気化させて気化ガスを生成する工程と、少なくとも酸素ガスを含む雰囲気において、少なくとも前記気化ガスの着火点まで該気化ガスを加熱して、前記ペースト材の表面において前記気化ガスを燃焼させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ガス生成工程において、界面活性剤を気化させたガスは可燃ガスであり、ガス燃焼工程において、この可燃性ガスを酸素雰囲気下でガスの着火点まで加熱して燃焼させるので、従来の揮発点までの加熱による焼成に比べて、短時間で拡散層形成材の焼成を行うことができる。また、燃焼による焼成は短時間であるので、たとえ高温になったとしても疎水性粒子が分解することがない。さらに、従来法は界面活性剤の揮発点まで加熱を行っていたが、本発明に係る焼成方法の場合は、界面活性剤の着火点まで加熱を行えばよく、従来に比べエネルギ消費量が少ない。このように、従来に比べて、低温加熱により短時間で拡散層形成材を焼成できることにより、エネルギの削減を行うことができるばかりでなく、焼成設備のコンパクト化及び生産性の向上を図ることができる。
【００１３】
また、前記気化ガスはペースト材の内部から表面に向かって発生するので、気化ガスを燃焼させることにより、ペースト材の内部まで燃焼した熱がいきわたり、ペースト材内の溶媒を確実に除去することができる。また、気化ガスを積極的に発火させて燃焼させるので、ガスを発火させないようにして焼成を行う従来の方法に比べて管理がし易い。
【００１４】
本発明でいう、「気化ガスの着火点」とは、気化ガスを空気又は酸素のあるところ、すなわち酸素雰囲気下で徐々に温度を上げたとき、自己燃焼によって急激な温度上昇が生じる最低温度のことをいい、自然発火する最低温度のことをいう。
【００１５】
さらに、本発明に係る拡散層形成材の焼成方法は、前記燃焼工程において前記気化ガスの燃焼温度を測定し、該燃焼温度に基づいて、前記拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付けることがより好ましい。
【００１６】
本発明によれば、ガス燃焼工程において、燃焼した気化ガスの燃焼温度を測定し、所定の燃焼温度になったときに、燃焼状態の拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付けることにより、燃焼状態の拡散層形成材を消火することができる。このように、燃焼温度を測定して、該燃焼温度に基づいて、不活性ガスの吹付けを行うことにより、拡散層形成材の焼成状態を管理することができ、焼成を行うロッドごとの焼成状態のばらつきを低減できる。
【００１７】
また、本発明として前記拡散層形成材の焼成方法を好適に行うことができる焼成装置をも開示する。本発明に係る拡散層形成材の焼成装置は、少なくとも導電性粒子及び疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液と、を備えたペースト材を基材に塗布した拡散層形成材を焼成するための装置であって、前記拡散層形成材の焼成装置は、前記ペースト材の表面から前記揮発性溶液中の少なくとも前記界面活性剤を気化させて気化ガスを生成させるガス生成部と、少なくとも前記気化ガスの着火点まで加熱して、前記ペースト材の表面において前記気化ガスを燃焼させる燃焼部と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、ガス生成部によって前記ペースト材を加熱することにより、揮発性溶液中の界面活性剤を気化させて可燃性を有する気化ガスを生成することができる。さらに、燃焼部により、この気化ガスを焼成用の燃料として着火点まで加熱して燃焼させることができる。なお、このガス生成部は、界面活性剤を気化させることができる温度まで、加熱することができる加熱源を有しており、燃焼部は、ペースト材の表面において気化ガスを燃焼させることができる着火源を有していればよい。
【００１９】
また、本発明に係る拡散層形成材の焼成装置は、前記気化ガスの燃焼温度を測定する燃焼温度測定部と、前記拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付ける吹付け部と、をさらに備えることがより好ましい。
【００２０】
本発明によれば、燃焼温度測定部で燃焼した気化ガスの燃焼温度を測定し、少なくとも所定の燃焼温度以上になったときに、吹付け部で燃焼状態の拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付けることができる。この結果、拡散層形成材の焼成状態を管理しつつ、燃焼状態の拡散層形成材を消火することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、界面活性剤を気化させた気化ガスを酸素雰囲気下で気化ガスの着火点まで加熱して燃焼させるので、従来の焼成に比べて低温加熱条件かつ短時間で焼成を行うことができる。この結果、エネルギの削減を行うことができるばかりでなく、焼成設備のコンパクト化及び生産性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して、本発明に係る拡散層形成材の焼成装置及び焼成方法の実施形態に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本実施形態に係る拡散層形成材の焼成方法を好適に行うための焼成装置を説明するための図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る焼成装置１００は、カーボンクロスなどのカーボン系から基材１４の表面に、導電性粒子１１及び疎水性粒子１３を含む粒子と界面活性剤が溶解した揮発性溶液とを備えたペースト材１５が塗布された拡散層形成材１０を焼成するための装置である。具体的には、焼成装置本体３０は、ペースト材１５の揮発性溶液を加熱することにより揮発させて拡散層形成材１０から除去すると共に、疎水性粒子１３を溶融させて、疎水性粒子１３と、バインダーとして導電性粒子１１を結合させることを目的とした装置である。
【００２５】
焼成装置１００は、拡散層形成材１０の基材１４を連続的に搬送する２つの巻き取り装置２１、２２を備えており、２つの巻き取り装置の間には、焼成装置本体３０が配置されている。
【００２６】
焼成装置本体３０は、加熱炉３１を備えており、加熱炉３１の内部には、基材１４の搬送方向に沿って、ガス生成部３２、燃焼部３３、燃焼温度測定部３４、及び、ガス吹付け部３５が順次配置されている。
【００２７】
ガス生成部３２は、ペースト材１５の表面から前記揮発性溶液中の界面活性剤を気化させて気化ガスＧを生成させる第一の加熱源を備えており、ペースト材１５に使用される界面活性剤の気化温度にあわせた加熱スペックを有している。さらに、燃焼部３３は、ガス生成部３２によって気化させた気化ガスＧを着火点まで加熱して、ペースト材１５の表面において、気化ガスＧを燃焼させる第二の加熱源を備えており、使用される界面活性剤の着火点（発火温度）にあわせた加熱スペックを有している。
【００２８】
燃焼温度測定部３４は、燃焼部３３に配設されており、燃焼部３３により燃焼した気化ガス（炎）の温度を測定する、例えば熱電対式の温度計を少なくとも備えている。ガス吹付け部３５は、不活性ガスとしての窒素ガスの供給源に接続されており、燃焼部３３から搬送された燃焼状態の拡散層形成材の表面に不活性ガスを吹付け可能なように構成されている。
【００２９】
以下に、上記した焼成装置１００を用いた拡散層形成材１０の焼成方法について説明する。
【００３０】
図１に示すように、まず焼成前の前工程として、基材１４の表面にペースト材１５を塗布する。基材１４は、本実施形態の場合には、巻き取り装置２１、２２を有するため、カーボンクロスが好ましいが、電子導電性を有する材料であれば特に限定されるものではなく、例えばカーボンペーパーであってもよい。
【００３１】
また、揮発性溶液に溶解した界面活性剤は、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、及び非イオン界面活性剤のうち少なくとも１つを含む界面活性剤である。また、界面活性剤は、一般に炭化水素系の分子構造等を有するので、加熱されて気化した気化ガスは、可燃性を有するガスとなる。さらに、界面活性剤は、揮発性溶液の溶媒（例えば水）に電離し、導電性粒子１１と疎水性粒子１３とを、例えば揮発性溶液に加えて混合したときに、これらの粒子１１，１３が均一に分散することができるものであれば、その種類は特に限定されるものではない。
【００３２】
また、ペースト材１５に含まれる導電性粒子１１としては、カーボン粉末が好ましく、導電性を有する粒子であれば特に限定されるものではない。また、疎水性粒子１３は、ＰＴＦＥの粒子が好ましいが、撥水性（疎水性）を有する粒子であり、焼成により疎水性粒子１３が溶融して導電性粒子１１のバインダーとして機能するものであれば、特に限定されるものではない。
【００３３】
そして、上述した材料からなるペースト材１５が塗布された拡散層形成材１０を、巻き取り装置２１，２２を駆動させて、加熱炉３１内に搬送し、まず、ガス生成工程Ａを行う。具体的には、ガス生成工程Ａにおいて、ガス生成部３２により拡散層形成材１０を加熱して、ペースト材１５の表面から揮発性溶液中の少なくとも界面活性剤を気化させて気化ガスＧを生成する。
【００３４】
そして、気化ガスＧが生成した拡散層形成材１０を、燃焼部３３へ搬送し、燃焼工程Ｂを行う。具体的には、燃焼工程Ｂにおいて、燃焼部３３により、酸素ガスを含む大気雰囲気下で気化ガスＧの着火点まで加熱して、ペースト材１５の表面において気化ガスＧを燃焼させる。
【００３５】
さらに、前記燃焼後に、気化ガスＧが燃焼した温度（又はその雰囲気の温度）を燃焼温度測定部３４により測定する。そして、燃焼状態の拡散層形成材１０を、ガス吹付け部３５へ搬送し、吹付け工程Ｃを行う。具体的には、吹付け工程Ｃにおいて、燃焼温度測定部３４により測定した燃焼温度が所定の温度以上になったとき、少なくともペースト材１５の表面が燃焼した状態の拡散層形成材１０の表面に窒素ガスを吹付けて（Ｎ２パージをして）、燃焼状態の拡散層形成材１０の消火を行う。窒素ガスを吹付けるタイミングである前記所定の温度、及び、吹付け量は、予め燃焼温度と焼成が完了するまでの時間との関係を実験により求めることにより、設定することができる。そして、燃焼後の気化ガス及び吹付け後の窒素ガスは、排気口３６から排気される。
【００３６】
このように、ガス生成工程（Ａ）において、界面活性剤を気化させた気化ガスＧは可燃性を有するガスであり、ガス燃焼工程（Ｂ）において、気化ガスを酸素雰囲気下で気化ガスの着火点まで加熱して燃焼させるので、従来の焼成に比べて短時間で焼成を行うことができる。
【００３７】
また、従来は界面活性剤の揮発点（例えば３６０℃程度）まで加熱を行っていたが、本実施形態の焼成方法の場合は、界面活性剤の着火点まで（例えば、２５０℃程度）加熱を行えばよく、従来に比べエネルギ消費量が少ない。このように、従来に比べて、低温加熱により短時間で拡散層形成材を焼成できることにより、エネルギの削減を行うことができるばかりでなく、焼成設備のコンパクト化及び生産性の向上を図ることができる。
【００３８】
また、燃焼温度を測定して、該燃焼温度に基づいて窒素ガスの吹付けを行うことにより、拡散層形成材１０の焼成状態を管理することができ、焼成を行うロッドごとの焼成状態のばらつきを低減できる。
【００３９】
以上、本発明の拡散層形成材の焼成方法の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００４０】
例えば、本実施形態では、巻き取り装置を用いて連続的に焼成を行ったが、バッチ方式で焼成を行ってもよい。さらに、本実施形態では、予め基材にペースト材を塗布したものを焼成しているが、拡散層形成材を炉内に搬送直前に、ペースト材を塗布してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の本実施形態に係る拡散層形成材の焼成装置を示した模式図。
【図２】固体高分子型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図。
【符号の説明】
【００４２】
１０：拡散層形成材、１１：導電性粒子、１３：疎水性粒子、１４：基材、１５：ペースト材、２１，２２：巻き取り装置、３０：焼成装置本体、３１：加熱炉、３２：ガス生成部、３３：燃焼部、３４：燃焼温度測定部、３５：ガス吹付け部、３６：排気口、Ａ：ガス生成工程、Ｂ：燃焼工程、Ｃ：吹付け工程、Ｇ：気化ガス
【図１】
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【図２】
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