JP2013083010A - 多孔質シートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

特開２００７−２２０４１６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims (3)

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。
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。
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。

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