JP5057017B2 - 拡散層の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、拡散層の製造装置及び製造方法に関する。

従来より、電解質膜の両面に電極用の触媒層を設けて形成した膜・電極接合体を備えた燃料電池が提案され、実用化されている。かかる燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池の膜・電極接合体を構成する一方の触媒層（アノード電極）にアノードガスを、他方の電極（カソード側電極）にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。

ところで、燃料電池の膜・電極接合体の触媒層には、外部から供給される反応ガス（アノードガス及びカソードガス）を拡散させる機能を有する「拡散層」が覆設されるのが一般的である。かかる拡散層の基材として従来はカーボンペーパやカーボンクロスが採用されていたが、近年においては、撥水性の向上等を目的として、カーボン繊維織布等の基材に、互いに特性の異なる２種類の機能性材料を塗布して薄型の拡散層を構成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−２６１４２１号公報

しかし、前記特許文献１に記載されたような技術においては、（１）基材に含浸し易い流動特性を有する第１の機能性材料を基材に塗布し含浸させ乾燥させる工程、（２）基材に含浸し難い流動特性を有する第２の機能性材料を第１の機能性材料の層上に塗布し乾燥させる工程、という別々の工程を経て２種類の機能性材料を基材に塗布していた。このため、拡散層の製造に比較的多くの労力や時間を要するという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の膜・電極接合体に設けられる拡散層を製造する際に要する労力や時間を低減することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る拡散層の製造装置は、特性が異なる第１及び第２の機能性材料を拡散層用の基材に添加して拡散層を製造する装置であって、基材を所定の方向に搬送する基材搬送手段と、この基材搬送手段で所定の方向に搬送される基材に対して第１及び第２の機能性材料を順次添加する機能性材料添加手段と、を備えるものである。

また、本発明に係る拡散層の製造方法は、特性が異なる第１及び第２の機能性材料を拡散層用の基材に添加して拡散層を製造する方法であって、基材を所定の方向に搬送する基材搬送工程と、この基材搬送工程で所定の方向に搬送される基材に対して第１及び第２の機能性材料を順次添加する機能性材料添加工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法によれば、所定の方向に搬送される基材に対して、特性が異なる２種類の機能性材料（第１及び第２の機能性材料）を順次添加して拡散層を製造することができるので、拡散層製造のための工程を簡素化することができる。従って、拡散層の製造に要する労力や時間を低減することが可能となる。

前記製造装置（方法）において、基材の内部に吸収され易い流動特性を有する第１の機能性材料と、基材の内部に吸収され難い流動特性を有する第２の機能性材料と、を添加する機能性材料添加手段（工程）を採用することができる。かかる場合において、第１の機能性材料を第２の機能性材料よりも時間的に先行して添加する機能性材料添加手段（工程）を採用することができる。

また、前記製造装置（方法）において、溶媒に特定の機能性物質を分散させて構成した第１の機能性材料を採用するとともに、第１の機能性材料を第２の機能性材料よりも時間的に先行して添加した後、第１の機能性材料の溶媒が気化する前に第２の機能性材料を添加する機能性材料添加手段（工程）を採用することができる。

また、前記製造装置において、第１及び第２の機能性材料を分離した状態で貯留する単一のヘッドを有し、このヘッドから第１及び第２の機能性材料を順次吐出して塗布する機能性材料添加手段を採用することができる。また、前記製造方法において、第１及び第２の機能性材料を分離した状態で貯留する単一のヘッドから、第１及び第２の機能性材料を順次吐出して塗布する機能性材料添加工程を採用することができる。

かかる構成及び方法によれば、単一のヘッドを用いて２種類の機能性材料（第１及び第２の機能性材料）を基材に塗布することができる。従って、２種類の機能性材料を基材に塗布する際に複数のヘッドを用いる必要がないので、ヘッドの個数に対応して設けられる各種機器（ポンプやバックロール等）の個数を低減させることができる。この結果、拡散層の製造に要する費用を節減することが可能となる。また、複数のヘッドを連動させて制御する必要がないので、ヘッドの制御態様が簡素化されることとなり、結果的に、拡散層製造のための工程を一層簡素化することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の膜・電極接合体に設けられる拡散層を製造する際に要する労力や時間を低減することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。以下の各実施形態においては、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池に設けられる拡散層を製造する製造装置及び製造方法について説明することとする。

＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る拡散層の製造装置及び製造方法について説明する。

最初に、図１を用いて、本実施形態に係る製造装置の構成について説明する。製造装置は、拡散層用の基材１０を所定の方向に搬送する図示されていない基材搬送手段と、この基材搬送手段で所定の方向に搬送される基材１０に対して、第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２を順次添加する機能性材料添加手段と、を備えている。

本実施形態においては、基材１０として、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材を採用している。また、本実施形態においては、第１の機能性材料１１として、基材１０の内部に吸収され易い流動特性を有する粘性の低い撥水性・導電性ペースト材料を採用し、第２の機能性材料１２として、基材１０の内部に吸収され難い流動特性を有する粘性の高い撥水性・導電性ペースト材料を採用している。

第１及び第２の機能性材料１１、１２は、所定の溶媒に撥水材料及び導電性材料を混合させて調製したものである。撥水性材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等を採用することができる。また、導電性材料としては、カーボン粉末等を採用することができる。

基材搬送手段は、基材１０を巻き取る巻取ローラ、基材１０を送り出す送出ローラ、所定間隔をおいて基材１０を支持しながら所定の方向に搬送する搬送ローラ等から構成されている。本実施形態においては、基材１０を図１における矢印Ａの方向に搬送する基材搬送手段を採用している。

機能性材料添加手段は、図１に示すように、第１の機能性材料１１を貯留する図示されていない第１のタンク、第１のタンクに接続され第１の機能性材料１１を基材１０に対して吐出する第１の吐出ヘッド１、第２の機能性材料１２を貯留する図示されていない第２のタンク、第２のタンクに接続され第２の機能性材料１２を基材１０に対して吐出する第２の吐出ヘッド２、基材１０を挟んで第１の吐出ヘッド１に対向するように配置されたバックロール５、第１の吐出ヘッド１及び第２の吐出ヘッド２からの機能性材料の吐出のタイミングを制御する図示されていない制御装置等から構成されている。

本実施形態においては、基材１０の両面に機能性材料を添加（含浸、塗布）する目的で、図１に示すように、第１の吐出ヘッド１を基材１０の一方の面側に配置し、第２の吐出ヘッド２を基材１０の他方の面側に配置している。また、図１に示すように、第１の吐出ヘッド１を第２の吐出ヘッド２よりも上流側に配置することにより、第１の機能性材料１１を第２の機能性材料１２よりも時間的に先行して基材１０に吐出するようにしている。また、本実施形態においては、第１の機能性材料１１を基材１０の内部に含浸させるために、第１の吐出ヘッド１とバックロール５とで基材１０を挟持することにより所定の塗工圧を加えるようにする。第２の機能性材料１２は、第２の吐出ヘッド２から吐出され、（塗工圧が加えられることなく）基材１０の表面に塗布される。なお、塗工圧が必要な場合には、基材１０を挟んで第２の吐出ヘッド２に対向するようにバックロールを配置する。

第１及び第２の吐出ヘッド１、２は、スリット状の吐出口１ａ、２ａを有している。吐出口１ａ、２ａの長さ（図１で紙面に対して直角な方向の寸法）は、搬送方向に対して直角な方向の基材寸法に対応するように決定される。また、吐出口１ａ、２ａの幅（図１で搬送方向における寸法）、第１の吐出ヘッド１と基材１０との間のクリアランス、第２の吐出ヘッド２と基材１０との間のクリアランスは、第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２の粘度や基材１０の搬送速度等に応じて適宜設定することができる。

次に、本実施形態に係る拡散層の製造方法について説明する。

まず、拡散層用の基材１０を準備するとともに、ＰＴＦＥ等の撥水性材料やカーボン粉末等の導電性材料を所定の溶媒に混合させることにより、ペースト状の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を調製する（材料調製工程）。次いで、図１に示すように、基材搬送手段を用いて基材１０を所定の方向に搬送する（基材搬送工程）。そして、基材搬送手段によって搬送される基材１０に対して、第１の吐出ヘッド１から第１の機能性材料１１を吐出して基材１０の内部に第１の機能性材料１１を含浸させるとともに、第２の吐出ヘッド２から第２の機能性材料１２を吐出して基材１０の表面に第２の機能性材料１２を塗布する（機能性材料添加工程）。

その後、基材１０の内部に含浸させた第１の機能性材料１１と、基材１０の表面に塗布した第２の機能性材料１２と、を乾燥させることにより、図２に示すような拡散層２０を得ることができる。拡散層２０の一方の面には、第１の機能性材料１１からなる撥水・導電層が形成される。また、拡散層２０の他方の面には、第２の機能性材料１２からなる撥水・導電層が形成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る製造装置（製造方法）によれば、所定の方向に搬送される基材１０に対して、特性が異なる２種類の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を順次添加して拡散層２０を製造することができるので、拡散層２０の製造のための工程を簡素化することができる。従って、拡散層２０の製造に要する労力や時間を低減することが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る拡散層の製造装置及び製造方法について説明する。なお、本実施形態で使用する基材及び機能性材料は、第１実施形態で使用した基材１０及び機能性材料１１、１２と共通であるものとする。また、本実施形態で採用される吐出ヘッド及びバックロールの構成は、第１実施形態で採用された吐出ヘッド１、２及びバックロール５の構成と実質的に同一であるものとする。

最初に、図３を用いて、本実施形態に係る製造装置の構成について説明する。製造装置は、拡散層用の基材１０を所定の方向に搬送する図示されていない基材搬送手段と、この基材搬送手段で所定の方向に搬送される基材１０に対して、第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２を順次添加する機能性材料添加手段と、を備えている。

基材搬送手段は、基材１０を巻き取る巻取ローラ、基材１０を送り出す送出ローラ、所定間隔をおいて基材１０を支持しながら所定の方向に搬送する搬送ローラ等から構成されている。本実施形態においては、基材１０を図３における矢印Ｂの方向に搬送する基材搬送手段を採用している。

機能性材料添加手段は、図３に示すように、第１の機能性材料１１を貯留する図示されていない第１のタンク、第１のタンクに接続され第１の機能性材料１１を基材１０に対して吐出する第１の吐出ヘッド１、第２の機能性材料１２を貯留する図示されていない第２のタンク、第２のタンクに接続され第２の機能性材料１２を基材１０に対して吐出する第２の吐出ヘッド２、基材１０を挟んで第１の吐出ヘッド１及び第２の吐出ヘッド２に対向するように配置されたバックロール５、第１の吐出ヘッド１及び第２の吐出ヘッド２からの機能性材料の吐出のタイミングを制御する図示されていない制御装置等から構成されている。

本実施形態においては、基材１０の片面にのみ機能性材料を添加（含浸、塗布）する目的で、図３に示すように、第１の吐出ヘッド１及び第２の吐出ヘッド２の双方を基材１０の一方の面側に配置している。また、図３に示すように、第１の吐出ヘッド１を第２の吐出ヘッド２よりも上流側に配置することにより、第１の機能性材料１１を第２の機能性材料１２よりも時間的に先行して基材１０に吐出するようにしている。特に本実施形態においては、第１の機能性材料１１の溶媒が気化する前に第２の機能性材料１２が塗布されるようになっている。また、本実施形態においても、第１の機能性材料１１を基材１０の内部に含浸させるために、第１の吐出ヘッド１とバックロール５とで基材１０を挟持することにより所定の塗工圧を加えるようにする。第２の機能性材料１２は、第２の吐出ヘッド２から吐出され、（塗工圧が加えられることなく）基材１０の表面に塗布される。

次に、本実施形態に係る拡散層の製造方法について説明する。

まず、拡散層用の基材１０を準備するとともに、ＰＴＦＥ等の撥水性材料やカーボン粉末等の導電性材料を所定の溶媒に混合させることにより、ペースト状の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を調製する（材料調製工程）。次いで、図３に示すように、基材搬送手段を用いて基材１０を所定の方向に搬送する（基材搬送工程）。そして、基材搬送手段によって搬送される基材１０に対して、第１の吐出ヘッド１から第１の機能性材料１１を吐出して基材１０の内部に第１の機能性材料１１を含浸させるとともに、第２の吐出ヘッド２から第２の機能性材料１２を吐出して、第１の機能性材料１１が含浸された基材１０の表面に第２の機能性材料１２を塗布する（機能性材料添加工程）。この際、第１の機能性材料１１の溶媒が気化する前に第２の機能性材料１２を塗布するようにする。

その後、基材１０の内部に含浸させた第１の機能性材料１１と、（第１の機能性材料１１が含浸された）基材１０の表面に塗布した第２の機能性材料１２と、を乾燥させることにより、図４に示すような拡散層２１を得ることができる。拡散層２１の一方の面には、第１の機能性材料１１からなる撥水・導電層と、第２の機能性材料１２からなる撥水・導電層と、の二層が形成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る製造装置（製造方法）によれば、所定の方向に搬送される基材１０に対して、特性が異なる２種類の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を順次添加して拡散層２１を製造することができるので、拡散層２１の製造のための工程を簡素化することができる。従って、拡散層２１の製造に要する労力や時間を低減することが可能となる。また、第１の機能性材料１１が乾燥する前に第２の機能性材料１２を塗布するので、第１の機能性材料１１と第２の機能性材料１２との密着性を向上させることが可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、図４及び図５を参照して、本発明の第３実施形態に係る製造装置及び製造方法について説明する。なお、本実施形態で使用する基材及び機能性材料は、第１実施形態で使用した基材１０及び機能性材料１１、１２と共通であるものとする。また、本実施形態で採用される基材搬送手段及びバックロールの構成は、第１実施形態で採用された基材搬送手段及びバックロール５の構成と実質的に同一であるものとする。

最初に、図５を用いて、本実施形態に係る製造装置の構成について説明する。製造装置は、拡散層用の基材１０を所定の方向に搬送する図示されていない基材搬送手段と、この基材搬送手段で所定の方向に搬送される基材１０に対して、第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２を順次添加する機能性材料添加手段と、を備えている。

機能性材料添加手段は、図５に示すように、第１の機能性材料１１を貯留する図示されていない第１のタンク、第２の機能性材料１２を貯留する図示されていない第２のタンク、第１のタンク及び第２のタンクに接続され第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２を基材１０に対して吐出する２液用吐出ヘッド４、基材１０を挟んで２液用吐出ヘッド４に対向するように配置されたバックロール５、２液用吐出ヘッド４からの各機能性材料の吐出のタイミングを制御する図示されていない制御装置等から構成されている。

２液用吐出ヘッド４は、図５に示すように、第１の機能性材料１１を吐出するためのスリット状の第１吐出口４ａと、第２の機能性材料１２を吐出するためのスリット状の第２吐出口４ｂと、第２吐出口４ａと第２吐出口４ｂとを仕切る仕切部材４ｃと、を有している。第１のタンクから供給された第１の機能性材料１１は、ヘッド内の第１流路４ｄを経由して第１吐出口４ａから基材１０へと吐出される。第２のタンクから供給された第２の機能性材料１２は、ヘッド内の第２流路４ｅを経由して第２吐出口４ｂから基材１０へと吐出される。２液用吐出ヘッド４の第１吐出口４ａは第２吐出口４ｂよりも上流側に配置されており、第１の機能性材料１１が第２の機能性材料１２よりも時間的に先行して基材１０に吐出される。本実施形態においては、第１の機能性材料１１の溶媒が気化する前に第２の機能性材料１２が塗布されるようになっている。

また、本実施形態においては、第１の機能性材料１１を基材１０の内部に含浸させるために、２液用吐出ヘッド４の第１吐出口４ａとバックロール５とで基材１０を挟持することにより所定の塗工圧を加えるようにする。一方、２液用吐出ヘッド４の第２吐出口４ｂと基材１０との間には比較的広いクリアランスが設けられており、第２吐出口４ｂから吐出された第２の機能性材料１２は、塗工圧が加えられることなく基材１０の表面に塗布される。

２液用吐出ヘッド４の各吐出口４ａ、４ｂの長さ（図５で紙面に対して直角な方向の寸法）は、搬送方向に対して直角な方向の基材寸法に対応するように決定される。また、各吐出口４ａ、４ｂの幅（図５で搬送方向における寸法）、第１吐出口４ａと基材１０との間のクリアランス、第２吐出口４ｂと基材１０との間のクリアランスは、第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２の粘度や基材１０の搬送速度等に応じて適宜設定することができる。

次に、本実施形態に係る拡散層の製造方法について説明する。

まず、拡散層用の基材１０を準備するとともに、ＰＴＦＥ等の撥水性材料やカーボン粉末等の導電性材料を所定の溶媒に混合させることにより、ペースト状の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を調製する（材料調製工程）。次いで、図５に示すように、基材搬送手段を用いて基材１０を所定の方向に搬送する（基材搬送工程）。そして、基材搬送手段によって搬送される基材１０に対して、２液用吐出ヘッド４の第１吐出口４ａから第１の機能性材料１１を吐出して基材１０の内部に第１の機能性材料１１を含浸させるとともに、第２吐出口４ｂから第２の機能性材料１２を吐出して、第１の機能性材料１１が含浸された基材１０の表面に第２の機能性材料１２を塗布する（機能性材料添加工程）。この際、第１の機能性材料１１の溶媒が気化する前に第２の機能性材料１２を塗布するようにする。

その後、基材１０の内部に含浸させた第１の機能性材料１１と、（第１の機能性材料１１が含浸された）基材１０の表面に塗布した第２の機能性材料１２と、を乾燥させることにより、図４に示すような拡散層２１を得ることができる。拡散層２１の一方の面には、第１の機能性材料１１からなる撥水・導電層と、第２の機能性材料１２からなる撥水・導電層と、の二層が形成されることとなる。

以上説明した実施形態に係る製造装置（製造方法）によれば、所定の方向に搬送される基材１０に対して、特性が異なる２種類の機能性材料（第１の機能性材料１１及び第２の機能性材料１２）を順次添加して拡散層２１を製造することができるので、拡散層２１の製造のための工程を簡素化することができる。従って、拡散層２１の製造に要する労力や時間を低減することが可能となる。また、第１の機能性材料１１が乾燥する前に第２の機能性材料１２を塗布するので、第１の機能性材料１１と第２の機能性材料１２との密着性を向上させることが可能となる。さらに、単一のヘッド（２液用吐出ヘッド４）を採用して２種類の機能性材料の添加を行うことができる。従って、ヘッド毎に必要となる各種部品（バックロール等）を削減することができるので装置全体の構成を簡素化することが可能となり、かつ、ヘッドと基材との接触位置を減らす（一箇所のみにする）ことができるので基材１０の搬送状態を安定させることが可能となる。

なお、第１及び第２実施形態においては、２つの吐出ヘッドを用いて２種類の機能性材料を基材に添加した例を示したが、吐出ヘッドの個数や機能性材料の種類はこれに限られるものではない。例えば、図６に示すように、３つの吐出ヘッド（第１の吐出ヘッド１、第２の吐出ヘッド２及び第３の吐出ヘッド３）を用いて、３種類の機能性材料（第１の機能性材料１１、第２の機能性材料１２及び第３の機能性材料１３）を基材１０に添加（含浸、塗布）することもできる。

本発明の第１実施形態に係る拡散層の製造装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る製造装置で製造された拡散層の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る拡散層の製造装置の構成を示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る製造装置で製造された拡散層の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る拡散層の製造装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係る拡散層の製造装置の変形例の構成を示す構成図である。

符号の説明

１…第１の吐出ヘッド（機能性材料添加手段）、２…第２の吐出ヘッド（機能性材料添加手段）、４…２液用吐出ヘッド（単一のヘッド、機能性材料添加手段）、５…バックロール（機能性材料添加手段）、１１…第１の機能性材料、１２…第２の機能性材料、２０・２１…拡散層。

Claims (8)

1. 特性が異なる第１及び第２の機能性材料を拡散層用の基材に添加して拡散層を製造する装置であって、
   前記基材を所定の方向に搬送する基材搬送手段と、
   前記基材搬送手段で所定の方向に搬送される前記基材に対して前記第１及び第２の機能性材料を順次添加する機能性材料添加手段と、を備え、
   前記機能性材料添加手段は、前記第１及び第２の機能性材料を分離した状態で貯留する単一のヘッドを有し、このヘッドから前記第１及び第２の機能性材料を順次吐出して塗布するものである、
   拡散層の製造装置。
2. 前記機能性材料添加手段は、前記基材の内部に吸収され易い流動特性を有する前記第１の機能性材料と、前記基材の内部に吸収され難い流動特性を有する前記第２の機能性材料と、を添加するものである、
   請求項１に記載の拡散層の製造装置。
3. 前記機能性材料添加手段は、前記第１の機能性材料を前記第２の機能性材料よりも時間的に先行して添加するものである、
   請求項２に記載の拡散層の製造装置。
4. 前記第１の機能性材料は、溶媒に特定の機能性物質を分散させて構成したものであり、
   前記機能性材料添加手段は、前記第１の機能性材料を添加した後、前記第１の機能性材料の溶媒が気化する前に前記第２の機能性材料を添加するものである、
   請求項１に記載の拡散層の製造装置。
5. 特性が異なる第１及び第２の機能性材料を拡散層用の基材に添加して拡散層を製造する方法であって、
   前記基材を所定の方向に搬送する基材搬送工程と、
   前記基材搬送工程で所定の方向に搬送される前記基材に対して前記第１及び第２の機能性材料を順次添加する機能性材料添加工程と、を備え、
   前記機能性材料添加工程において、前記第１及び第２の機能性材料を分離した状態で貯留する単一のヘッドから、前記第１及び第２の機能性材料を順次吐出して塗布する、
   拡散層の製造方法。
6. 前記機能性材料添加工程において、前記基材の内部に吸収され易い流動特性を有する前記第１の機能性材料と、前記基材の内部に吸収され難い流動特性を有する前記第２の機能性材料と、を添加する、
   請求項５に記載の拡散層の製造方法。
7. 前記機能性材料添加工程において、前記第１の機能性材料を前記第２の機能性材料よりも時間的に先行して添加する、
   請求項６に記載の拡散層の製造方法。
8. 前記第１の機能性材料として、溶媒に特定の機能性物質を分散させて構成したものを採用し、
   前記機能性材料添加工程において、前記第１の機能性材料を添加した後、前記第１の機能性材料の溶媒が気化する前に前記第２の機能性材料を添加する、
   請求項５に記載の拡散層の製造方法。

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