説明

多孔質シートおよびその製造方法

【課題】樹脂繊維間の孔径の均一化を図ることができ、かつ繊維を規則的に配列することができるとともに、燃料電池用電極の電極層に適用した場合、触媒にガスを十分に効率良く到達させることができる多孔質シートおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】樹脂溶液10の放出では、樹脂溶液10は、電極103A〜103Dにより囲まれる領域を通過する。電極103A〜103Dに対して選択的に電位を設定すると、電極間を通過する樹脂溶液10は、帯電しているから、電極103A〜103D間に形成された電場により電気的力を受ける。電極103A〜103D間の電位差を制御することにより、電極103A〜103D間の電場を適宜設定することができるから、樹脂溶液10の移動方向を制御することができる。このような電位差の制御に従って、たとえば多数の樹脂繊維12が基材13の表面上に形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、樹脂繊維からなる多孔質シートおよびその製造方法に係り、特に樹脂繊維の配向制御技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
非常に細い繊維からなる多孔質シートを製造する方法として、たとえば電気紡糸法(エレクトロスピニング法)がある。たとえば図3に示すように、電気紡糸法で製造される多孔質シート1は、一般的に繊維2同士がランダムに絡まった不織布状をなす樹脂繊維シートである。なお、符号3は基材を示している。
【0003】
このような多孔質シートは、各種用途に使用されている。たとえば特許文献1では、燃料電池の電解質膜両面の触媒層(電極層)に、不織布状の電解質樹脂繊維シート(多孔質シート)を適用し、当該樹脂繊維シートに触媒を付着させている。特許文献1では、触媒層中の電解質を繊維状とすることにより、繊維長方向におけるプロトン伝導性を向上させ、電池性能を向上させることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−220416号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
また、触媒層に繊維樹脂シートを適用すると、当該樹脂繊維シートは多孔質であるため、触媒層中への水素や酸素などのガスの到達を容易にし、触媒層中の触媒が前記ガスと反応しやすくなり電池性能が向上すると考えられる。しかしながら、特許文献1の多孔質シートは、不織布状であるため、樹脂繊維同士がランダムに絡まった構造を有し、触媒層中のガス拡散経路が長くなる。また、樹脂繊維間の孔(空隙)の径が不均一となり、ガスを効率良く触媒層中の触媒に到達させることは十分にはできなかった。
【0006】
したがって、本発明は、樹脂繊維間の孔径の均一化を図ることができ、かつ繊維を規則的に配列することができるとともに、燃料電池用電極の電極層に適用した場合、触媒にガスを十分に効率良く到達させることができる多孔質シートおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の多孔質シートの製造方法は、基材の一面に対向配置されたノズルと、ノズルと基材との間に配置された複数の方向制御電極とを用い、樹脂の溶液を正または負の電荷に帯電させ、樹脂の溶液とは異なる電荷に基材の一面を帯電させ、帯電させた樹脂の溶液をノズルから基材の一面に向けて放出することにより樹脂の繊維からなる多孔質シートを一面に形成し、帯電させた樹脂の溶液の放出では、複数の方向制御電極に対して選択的に電位を設定して方向制御電極間の電位差を制御することにより、方向制御電極間を通過する樹脂の溶液の移動方向を制御することを特徴とする。
【0008】
本発明の多孔質シートの製造方法では、ノズルとターゲットとの間に配置された複数の方向制御電極を用い、帯電させた樹脂の溶液の放出において、複数の方向制御電極に対して選択的に電位を設定して方向制御電極間の電位差を制御する。この場合、方向制御電極間を通過する樹脂の溶液は、帯電しているから、方向制御電極間に形成された電場により電気的力を受ける。方向制御電極間の電位差を制御することにより、方向制御電極間の電場を適宜設定することができるから、樹脂の溶液の移動方向を制御することができる。したがって、基材の一面上での樹脂の繊維の到達位置を制御することができるから、樹脂の繊維の配向を制御することができる。よって、樹脂の繊維を規則的に配列させることができるから、樹脂の繊維同士の間の孔径の均一化を図ることができるとともに、ガス拡散経路を短くすることができる。その結果、たとえば燃料電池用電極の電極層に適用した場合、触媒にガスを十分に効率良く到達させることができる。
【0009】
本発明の多孔質シートは、本発明の多孔質シートの製造方法により製造され、樹脂の繊維が所定方向に配向された繊維層を備えたことを特徴とする。本発明の多孔質シートは、本発明の多孔質シートの製造方法と同様な効果を得ることができる。
【0010】
本発明の多孔質シートは、種々の構成を用いることができる。たとえば本発明の多孔質シートは、燃料電池用電極に適用される態様を用いることができる。具体的には、燃料電池用電極の電極層や、電極層と拡散層との間の保水層に適用することができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明の多孔質シートあるいはその製造方法によれば、樹脂の繊維間の孔径の均一化を図ることができ、かつ繊維を規則的に配列することができるとともに、たとえば燃料電池用電極の電極層に適用した場合、触媒にガスを十分に効率良く到達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明に係る一実施形態の多孔質シートの製造方法で使用する装置の一例を表し、(A)は装置の概略構成を表す斜視図、(B)は、装置に設けられた方向制御電極部の電極の配置状態を表す図である。
【図2】本発明に係る一実施形態の多孔質シートの一部の概略構成を表し、基材上に形成された状態の斜視図である。
【図3】従来の多孔質シートの一部の概略構成を表し、基材上に形成された状態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明に係る一実施形態の多孔質シートの製造方法で使用する装置100の一例を表し、(A)は装置100の概略構成を表す斜視図、(B)は、装置100に設けられた方向制御電極部の電極の配置状態を表す図である。装置100は、エレクトロスピニング法(Electrospinning method)を用いて樹脂繊維12(繊維)からなる多孔質シートを製造する装置である。
【0014】
装置100は、たとえばノズル101、固定部102、および、方向制御電極部103を備えている。ノズル101は、樹脂溶液10を放出するノズル先端部101Aを有している。ノズル先端部101Aは、たとえば正の電位に設定され、ノズル先端部101Aから放出される樹脂溶液10は、たとえば正の電荷に帯電している。樹脂溶液10の樹脂は、エレクトロスピニング法を行うことが可能な電解質樹脂や非電解質樹脂であればよい。
【0015】
固定部102は、基材13を固定する。固定部102は、たとえば所定間隔おいて配置された1対の固定部材102A,102Bを有する。基材13は、たとえばポリエチレンテレフタラート (PET)等からなる絶縁フィルムである。基材13は、アースする、あるいは、負の電位に設定する。ノズル先端部101Aと基材13との電位差は、たとえば3kV〜50kV程度に設定される。
【0016】
基材13は、その表面がノズル101に対向するようにして固定部材102A,102Bに固定される。この場合、基材13の表面は、たとえば図1(A)に示すようにノズル先端部101Aの延在方向に対して垂直となるように配置されている。なお、図に示すXY座標は、基材13の表面に平行に設定されている。
【0017】
方向制御電極部103は、ノズル101と基材13との間に配置されるとともに、電極103A〜103D(方向制御電極)を有している。電極103A,103Bは、たとえばX方向において対向して配置された電極板である。この場合、電極103A,103Bは、たとえばXY座標内において、基材103Aの右端部および左端部に位置している。電極103C,103Dは、たとえばY方向において対向して配置された電極板である。この場合、電極103C,103Dは、たとえばXY座標内において、基材103Aの上端部および下端部に位置している。このように電極103A〜103Dは、XY座標内において略長方形状をなすように配置している。
【0018】
電極103A〜103Dには選択的に電位が設定される。電極103A,103Bにより形成される電場の方向は、たとえばノズル101のノズル先端部101Aによる放出方向(ノズル先端部101Aの延在方向)に対して垂直方向である。電極103C,103Dにより形成される電場の方向は、たとえばノズル101のノズル先端部101Aによる放出方向(ノズル先端部101Aの延在方向)に対して垂直方向である。
【0019】
樹脂溶液10は、電極103A〜103Dにより囲まれる領域を通過する。この場合、電極103A,103B間の電位差を制御することにより、樹脂溶液10の移動方向のX方向を制御する。電極103C,103D間の電位差を制御することにより、樹脂溶液10の移動方向のY方向を制御する。
【0020】
装置100では、ノズル先端部101Aと基材13との間には高電場が形成され、たとえば正の電荷に帯電させた樹脂溶液10には、負の電荷に帯電させた基材13から電気的引力が働く。この場合、ノズル先端部101Aの先端では、樹脂溶液10は、表面が正の電荷に帯電した円錐状のテイラーコーン(Taylor cone)の形態をなす。たとえばテイラーコーンにおいて電荷の反発力が表面張力を超えたとき、そこから樹脂溶液10が連続的に放出される。放出された樹脂溶液10では、負の電荷に帯電させた基材13の表面に到達するまでの間に樹脂溶液10の溶媒が蒸発し、基材13の表面上に樹脂繊維12が紡糸される。
【0021】
ここで本実施形態では、樹脂溶液10は、電極103A〜103Dにより囲まれる領域を通過する。この場合、電極103A,103Bに対して選択的に電位を設定すると、電極103A,103B間の電位差が生じてX方向の電場が形成されるから、正の電荷に帯電させた樹脂溶液10にX方向の電気的力が働く。また、電極103C,103Dに対して選択的に電位を設定すると、電極103C,103D間の電位差が生じてY方向の電場が形成されるから、正の電荷に帯電させた樹脂溶液10にY方向の電気的力が働く。
【0022】
たとえば電極103C,103DによるY方向電位差を第1電圧値に設定して、電極103A,103BによるX方向電位差を第1電圧範囲内で変化させ、次いで、電極103C,103DによるY方向電位差を第2電圧値に設定して、電極103A,103BによるX方向電位差を第2電圧範囲内で変化させ、、、、、次いで、電極103C,103DによるY方向電位差を第N電圧値に設定して、電極103A,103BによるX方向電位差を第N電圧範囲内で変化させる。このように電極103A,103B間の電位差および電極103C,103D間の電位差を制御することにより、樹脂溶液10の移動方向が、たとえばX方向の負方向、Y方向の正方向、X方向の正方向、Y方向の正方向、、、という具合に変化する。このような電位差の制御に従って、たとえば多数の樹脂繊維12が基材13の表面上に形成される。
【0023】
電極103A,103BによるX方向電位差および電極103C,103DによるY方向電位差の制御条件や各種条件を適宜設定することにより、所定方向に配向した繊維層を一層有する多孔質シートを形成することができるのはもちろんのこと、配向方向が互いに交差した複数の繊維層が積層された多孔質シートを形成することができる。たとえば図2に示す多孔質シート11では、配向方向がX方向である樹脂繊維12Bからなる繊維層と配向方向がY方向である樹脂繊維12Aからなる繊維層とが交互に積層されている。樹脂繊維は、たとえば繊維径が30〜5000nm(好適には200nm)であるナノファイバであり、繊維間距離lは、たとえば0.5〜20μmである。また、図2に示すように繊維層を積層する場合、樹脂繊維12A,12Bの配向方向の交差角度は、たとえば30〜90°の範囲内に設定することが好適である。この態様では、燃料電池用電極の電極層に適用した場合、触媒にガスをさらに効率良く到達させることができる。
【0024】
以上のように本実施形態では、樹脂溶液10の移動方向を制御することにより、基材13の表面上での樹脂繊維12の到達位置を制御することができるから、樹脂繊維12の配向を制御することができる。したがって、樹脂繊維12を規則的に配列させることができるから、樹脂繊維12同士の間の孔径を均一化を図ることができるとともに、ガス拡散経路を短くすることができる。その結果、たとえば燃料電池用電極の触媒層に適用した場合、たとえば触媒に燃料ガスを十分に効率良く到達させることができる。
【0025】
以上のように上記実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。たとえば上記実施形態では、方向制御電極部の形態を図1に示す形態としたが、これに限定されるものではなく、方向制御電極部を複数の電極から構成し、電極間の電位差を制御することにより、樹脂溶液の移動方向を制御することが可能な形態であればよい。たとえば上記実施形態では、複数の電極を、所定の間隔をおいて図1(B)に示すように略長方形状をなすように配置したが、複数の電極を円形状をなすように配置してもよい。この場合、たとえば対向する電極間で電位差を制御する。電極の配置個数は、適宜設定するようにしてもよい。
【0026】
また、たとえばX方向の電位差を制御する電極103A,103BおよびY方向の電位差を制御する電極103C,103Dのいずれかを配置して、X方向あるいはY方向の電位差を制御するようにしてもよい。この場合、上記一対の電極をXY座標に垂直な軸線回りに回転させて、それら電極の位置が変更可能となるように構成してもよい。
【0027】
さらに、たとえば互いに異なる樹脂溶液を有するノズル101を複数本設け、各ノズル100について樹脂溶液の放出およびその方向制御を行うことにより、互いに異なる樹脂繊維からなる複数の繊維層を積層してもよい。また、基材13の表面の各領域に対応してノズル101を複数本設け、基材13の領域毎に、ノズル101に対応する方向制御電極部で樹脂溶液の移動方向の制御を行ってもよい。
【符号の説明】
【0028】
10…樹脂溶液、11…多孔質シート、12,12A,12B…樹脂繊維(繊維)、13…基材、101…ノズル、101A…ノズル先端部、102…固定部、102A,102B…固定部材、103…方向制御電極部、103A〜103D…電極(方向制御電極)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材の一面に対向配置されたノズルと、前記ノズルと前記基材との間に配置された複数の電極とを用い、
樹脂の溶液を正または負の電荷に帯電させ、前記樹脂の溶液とは異なる電荷に前記基材の一面を帯電させ、前記帯電させた樹脂の溶液を前記ノズルから前記基材の一面に向けて放出することにより前記樹脂の繊維からなる多孔質シートを前記一面に形成し、
前記帯電させた前記樹脂の溶液の放出では、前記複数の電極に対して選択的に電位を設定して前記電極間の電位差を制御することにより、前記電極間を通過する樹脂の溶液の移動方向を制御することを特徴とする多孔質シートの製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の多孔質シートの製造方法により製造され、前記樹脂の繊維が所定方向に配向された繊維層を備えたことを特徴とする多孔質シート。
【請求項3】
燃料電池用電極に適用されることを特徴とする請求項2に記載の多孔質シート。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−83010(P2013−83010A)
【公開日】平成25年5月9日(2013.5.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−222883(P2011−222883)
【出願日】平成23年10月7日(2011.10.7)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】