JP2018152231A - 巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の一つの構成基材として用いられるカーボンペーパーであって、ロール状に巻き込まれたカーボンペーパーを、当該巻き込みロールから、複数個の案内ロールを通過させて、カーボンペーパーの被処理部に搬送するようにした搬送装置において、複数個の案内ロールを通過する過程で、当該案内ロールに起因してカーボンペーパーに割れが発生するのを回避する。【解決手段】カーボンペーパー１０が巻き込まれた巻き込みロール１１からカーボンペーパーを当該カーボンペーパーの被処理部に向けて搬送するための搬送装置５０は、カーボンペーパー１０の案内時の回転方向が、巻き込みロール１１のカーボンペーパー巻出し時の回転方向と同方向に回転する順回転案内ロール１２と、案内時の回転方向が、巻き込みロール１１のカーボンペーパー巻出し時の回転方向と逆方向に回転する逆回転案内ロール１３とを備える。そこにおいて、逆回転案内ロール１３の直径Ｄ２は順回転案内ロール１２の直径Ｄ１の３倍以上とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池において一つの構成基材として用いられるカーボンペーパーが巻き込まれている巻き込みロールから当該カーボンペーパーをカーボンペーパーの被処理部に向けて搬送するための搬送装置に関する。

燃料電池は多くの構成部材の組み合わせ体であり、一例として、電解質膜の両面に触媒層を積層してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に積層した拡散層と、該拡散層を挟持するガス流路を備えたセパレータ、等で構成される。拡散層は、基材としてのカーボンペーパーに、ガス拡散に必要な気孔の確保と撥水性を持たせるための撥水加工を施した後、それを触媒層の上にホットプレスする等で形成される。

燃料電池拡散層の基材であるカーボンペーパーは、通常、カーボン繊維の集合体からなっており、ヤング率は、約５０００ＭＰａ〜約６００００ＭＰａのものが使用されている。また、カーボンペーパーはウエブ状とされ、ロール状に巻き込まれた状態で、製造元から使用現場に搬送されるのが一般的である。

カーボンペーパーは、それが巻き込まれた巻き込みロールから巻き出されて、当該カーボンペーパーの被処理部に向けて送り出され、そこで必要な処理が施された後、再びロール状に巻き込まれる。その一例が特許文献１あるいは特許文献２に記載されている。特許文献１では、被処理部は表面から突き出ている毛羽を除去するために粘着性シートを圧着する部位であり、特許文献２では、巻き出されてくる基材としてのカーボンペーパー上に、触媒層や電解質膜等を順次積層形成するようにしており、その積層形成部が被処理部となっている。

近年、燃料電池の製造において、低コスト化および生産性向上が求められており、そのために、基材としてのカーボンペーパーについても、薄膜化、ロールからロールへの搬送速度の高速化が求められている。被処理部での処理を安定して進めるためには、ロールからロールへ搬送されるときのカーボンペーパーの送りを安定化し、また搬送時のテンションが一定に保持されることなどが求められる。さらに、巻き込みロールと被処理部の位置関係の自由度を大きく確保できることも求められる。

そのためには、巻き込みロールと被処理部の間に、巻き込みロールから巻き出されるカーボンペーパーを案内するための複数個の案内ロールを配置することが必要となる場合がある。しかし、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載される搬送装置においては、搬送路に複数個の案内ロールを配置することについては、特に配慮がなされていない。

一方、機能性フィルムを搬送する装置において、ロールからロールへ搬送されるときの基材フィルムの搬送テンションを一定に保持するため等の目的で、複数個の同径の案内ロールを少なくとも巻出し側ロールと被処理部の間に配置したウエブ搬送装置が特許文献３に記載されている。

特開２００９−４３４８４号公報 特開２００５−２９４１２３号公報 特許第４６５６３４４号公報

特許文献１あるいは特許文献２に記載されるカーボンペーパーの搬送および処理装置において、搬送側の巻き込みロールと当該カーボンペーパーの被処理部との間に、特許文献３に記載されるように複数個の同径の案内ロールを配置することで、カーボンペーパーの送りの安定化、および巻き込みロールと被処理部の位置関係の自由度などは、ある程度は確保することができる。

一方、複数個の案内ロールを配置する場合、図６に示すように、カーボンペーパー５が巻き込みロール１から巻き出されるときに、一部の案内ロール２は、案内時の回転方向がカーボンペーパー５が巻き出るときの巻き込みロール１の回転方向（ここでは、反時計方向）と逆回転の回転方向（時計方向）となり、一部の案内ロール３は巻き込みロール１の回転方向と同じ方向（反時計方向）となることが、多く発生する。

前記のように、燃料電池の構成基材として用いられるカーボンペーパーは、ロール状に巻き込まれて保管され搬送されてくるのが一般的であり、ロール状に巻き込まれたカーボンペーパーには、その過程で、巻き込みロールの中心部に向けて内側に湾曲する巻癖が付くのを避けられない。巻き込みロールから巻き出されるカーボンペーパー５は、その巻癖をもったままで巻き出されてくる。

本発明者らは、ロール状に巻き込まれているカーボンペーパーを巻出した後、複数個の案内ロールを通してカーボンペーパーを被処理部まで搬送するテストを数多く行ったところ、（１）カーボンペーパーは、通常、引張と圧縮を受けながら搬送されるが、燃料電池の一基材として用いられているカーボンペーパーは、引張に比べて圧縮に極端に弱く、強い圧縮を受けたときに、その後の搬送や処理の過程で、割れのような破損が生じやすいこと、（２）案内ロール上を通過するときに、カーボンペーパーはロールの曲面に沿って移動することからロールの曲率半径に応じた曲りが生じ、それに伴って圧縮を受けること、（３）カーボンペーパーが巻き出るときの巻き込みロールの回転方向と同じ方向に案内ロールを回転させるように案内ロール上をカーボンペーパーが通過するときには、通過時に、カーボンペーパーには巻癖の方向と同じ方向の曲りが生じることから、カーボンペーパーにさらに加わる圧縮力は大きくなく、圧縮に伴う損傷は生じ難いこと、（４）逆に、カーボンペーパーが巻き出るときの巻き込みロールの回転方向と逆方向に案内ロールを回転させるように案内ロール上をカーボンペーパーが通過するときには、通過時に、巻癖の方向とは逆の方向（反巻癖方向）の曲りがカーボンペーパーに生じることから、カーボンペーパーに大きな圧縮が生じやすく、カーボンペーパーに損傷（割れ）が生じやすいこと、を経験した。

カーボンペーパーに割れが生じると、それを基材として形成される拡散層に欠陥が生じる恐れがあることから、このような割れの発生を回避することが、高性能の燃料電池を製造するためには、解決すべき課題であることを知った。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の一つの構成基材として用いられるカーボンペーパーであって、ロール状に巻き込まれたカーボンペーパーを、当該巻き込みロールから、複数個の案内ロールを通過させて、カーボンペーパーの被処理部に搬送するようにした搬送装置において、複数個の案内ロールを通過する過程で、当該案内ロールに起因してカーボンペーパーに割れが発生するのを回避できるようにした、巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置を提供することを課題とする。

本発明による巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置は、燃料電池の構成基材として用いられるカーボンペーパーが巻き込まれた巻き込みロールからカーボンペーパーを当該カーボンペーパーの被処理部に向けて搬送するための搬送装置であって、前記搬送装置は、前記巻き込みロールと前記被処理部の間に巻き込みロールから巻き出される、カーボンペーパーを案内する２個以上の案内ロールを備えており、少なくとも１つの案内ロールは案内時の回転方向が前記巻き込みロールのカーボンペーパー巻出し時の回転方向と同方向に回転する順回転案内ロールであり、少なくとも１つの案内ロールは案内時の回転方向が前記順回転案内ロールの回転方向と反対方向に回転する逆回転案内ロールであり、前記逆回転案内ロールの直径は前記順回転案内ロールの直径の３倍以上であることを特徴とする。

本発明によるカーボンペーパー搬送装置を用いることにより、送り出されたカーボンペーパーが送りの途中で、案内ロールを通過するときに作用する応力に起因して、カーボンペーパーに損傷（割れ）が生じるのを効果的に阻止することが可能となる。

本発明によるカーボンペーパー搬送装置の一実施の形態を示す図。 同じ直径の案内ロールを用い、カーボンペーパーが巻き出るときの巻き込みロールの回転方向と同じ方向に案内ロールを回転させるようにして案内ロール上を通過させたカーボンペーパー（巻癖方向のカーボンペーパー）からの試験片と、巻き込みロールの回転方向と逆方向に案内ロールを回転させるようにして案内ロール上を通過させたカーボンペーパー（反巻癖方向のカーボンペーパー）からの試験片について、圧縮を与えて座屈試験を行ったときの結果を示すグラフ。 座屈試験器を説明する図。 カーボンペーパー搬送装置の他の例を示す図。 逆回転案内ロールの個数の違いとカーボンペーパーに発生した割れ発生数との関係を示すグラフ。 複数の案内ロールを備えたカーボンペーパー搬送装置を説明する図。

以下、図面を参照しながら、巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明によるカーボンペーパー搬送装置の一実施の形態を示している。カーボンペーパー搬送装置５０は、燃料電池の一基材としてのカーボンペーパーであって、カーボン繊維の集合体でありヤング率が約５０００ＭＰａ〜約６００００ＭＰａであるウエブ状のカーボンペーパー１０を巻き込んだ巻き込みロール１１を備えている。図示のもので、巻き込みロール１１でのカーボンペーパー１０の巻き方向は、時計方向であり、カーボンペーパー１０の巻出し時に、巻き込みロール１１は時計方向に回転する。

カーボンペーパー１０は、図１で右方向への引張力を受けて、巻き込みロール１１から巻き出される。巻き出されるカーボンペーパー１０は、複数個の順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄと逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂで案内されながら、右方向に搬送され、図で右方向に存在する適宜のカーボンペーパー処理装置（不図示）に送り出される。

ここで、「順回転」とは、カーボンペーパー１０を巻き出すときの、巻き込みロール１１の回転方向（ここでは時計方向）をいい、「逆回転」とはその反対方向（ここでは反時計方向）の回転方向をいう。

図示の例では、巻き出されるカーボンペーパー１０は、最初に第１の順回転案内ロール１２ａを通過し、第１の順回転案内ロール１２ａを通過したカーボンペーパー１０は、次に、第１の逆回転案内ロール１３ａを通過する。第１の逆回転案内ロール１３ａを通過したカーボンペーパー１０は、第２の順回転案内ロール１２ｂを通過した後、第２の逆回転案内ロール１３ｂを通過し、第２の逆回転案内ロール１３ｂを通過した後、第３の順回転案内ロール１２ｃ、第４の順回転案内ロール１２ｄを通過する。そして、その後、前記した、カーボンペーパー処理装置（不図示）まで搬送される。

この装置において、順方向に回転する第１〜４の順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの直径Ｄ１はすべて等しい。また、それとは逆方向に回転する第１、第２の逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの直径Ｄ２も等しくされている。そして、逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの直径Ｄ２は、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの直径Ｄ１の３倍以上とされている。

このカーボンペーパー搬送装置５０において、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃを通過するときにカーボンペーパー１０が受ける曲げの方向は、カーボンペーパー１０が巻き込みロール１１に巻き込まれていたときに生じた巻癖方向と同じ方向であり、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの直径Ｄ１の大きさによって変動するとしても、曲げに起因してカーボンペーパー１０に生じる圧縮量は大きくない。

一方、逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂを通過するときにカーボンペーパー１０が受ける曲げの方向は、カーボンペーパー１０が巻き込みロール１１に巻き込まれていたときに生じた巻癖方向とは反対方向、すなわち反巻癖方向であり、巻癖方向の姿勢を一旦平板状態に戻した後、さらに反巻癖方向に曲げられので、カーボンペーパー１０には、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄを通過するときよりも、大きな変形が生じる。そして、その変形時に、部分的に大きな圧縮力がカーボンペーパー１０に作用する。

前記のように、燃料電池で使用される種類のカーボンペーパー１０は圧縮に弱いことから、逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂを通過するときにカーボンペーパー１０に大きな圧縮力が作用すると、カーボンペーパー１０に損傷（割れ）が生じる恐れがある。それを回避するために、上記のカーボンペーパー搬送装置５０では、逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの直径Ｄ２を、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの直径Ｄ１の３倍以上としている。それにより、逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂを通過するときにカーボンペーパー１０が受ける圧縮作用を緩和している。その結果、カーボンペーパー１０に損傷（割れ）が生じるのを回避することができるようになる。

図２のグラフは、同じ直径の案内ロールを用い、カーボンペーパーが巻き出るときの巻き込みロールの回転方向（順回転方向）と同じ方向に案内ロールを回転させるようにして案内ロール上を通過させたカーボンペーパーからの試験片（巻癖方向のカーボンペーパーからの試験片）と、巻き出されたカーボンペーパーを巻き込みロールの回転方向と逆方向（逆回転方向）に案内ロールを回転させるようにして案内ロール上を通過させたカーボンペーパーからの試験片（反巻癖方向のカーボンペーパーからの試験片）について、圧縮を与えて座屈試験を行ったときの結果の一例を示している。ここで、試験数Ｎ＝３、すなわち、３回の試験結果を示している。

座屈試験は、図３に示すように、凹溝付き土台Ａの上に、３０ｍｍ×３０ｍｍに切断した上記の試験片（基材）Ｂを置き、該基材Ｂの上に、凹溝付き圧縮冶具Ｃを配置して、一定の圧縮力（１０ｍｍ／ｍｉｎ）を加え、試験片Ｂが座屈するまでのストローク（ｍｍ）を測定した。図２に示すように、反巻癖方向の試験片の最大座屈ストロークＳｈと巻癖方向試験片の座屈ストロークＳｍを比較すると、Ｓｍ／Ｓｈはほぼ３〜４倍以上となっていることがわかる。ストローク量が長いほど、座屈し難い材料であることが示される。なお、図２で、縦軸の試験力（Ｎ）は、試験片の硬さを意味するが、座屈を評価するには、考慮することを要しない値である。また、試験で用いたカーボンペーパーは、燃料電池の拡散層の基材として一般的に用いられているものであり、カーボン繊維が編み込まれた構成を備えている。

図２に示すように、燃料電池の拡散層の基材として一般的に用いられているカーボンペーパーの場合、同じ直径の案内ロールを用いた場合に、Ｓｍ／Ｓｈがほぼ３〜４倍以上となっている。このことは、順回転方向に回転する案内ロールの直径に対して、逆回転方向に回転する案内ロールの直径を３〜４倍以上とすることで、反巻癖方向のカーボンペーパーからの試験片が圧縮によって座屈するまでのストローク長を、巻癖方向のカーボンペーパーからの試験片が座屈したときのストローク長に近づけることができることを示している。

この実験結果から、巻き込みロール１１と被処理部の間に、巻き込みロール１１から巻き出されるカーボンペーパー１０を案内する２個以上の案内ロール１２、１３を備えたカーボンペーパー搬送装置５０において、案内時の回転方向が巻き込みロール１１のカーボンペーパー巻出し時の回転方向と同方向に回転する順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの直径をＤ１、前記順回転案内ロール１２ａ〜１２ｄの回転方向と反対方向に回転する逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの直径をＤ２としたときに、Ｄ２がＤ１の３倍以上としておくことで、搬送されるカーボンペーパー１０に圧縮に起因する割れなどの損傷を生じさせることなく、所用のカーボンペーパー被処理部まで、搬送できることがわかる。

なお、図１に示したカーボンペーパー搬送装置５０では、２個の逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの双方の直径Ｄ２を同じ直径のものとして示したが、少なくとも上流側に位置する逆回転案内ロール１３ａの直径のみを順回転案内ロール１２ａの直径の３倍以上とすることで、差異はあるとしても、所期の目的を達成することができる。

以下、図４を参照して、その一例を説明する。なお、図４に示す装置は、図６に基づき説明した従来のカーボンペーパー搬送装置をベースとしている。図４に示すカーボンペーパー搬送装置１００においても、燃料電池の一基材としてのウエブ状のカーボンペーパー１０は巻き込みロール１１として巻き込まれている。カーボンペーパー搬送装置１００は４個の逆回転案内ロール１３ａ〜１３ｄを有し、３個の順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃを有している。ここで、第１の順回転案内ロール１２ａは搬送されるカーボンペーパー１０の張力を調整するための案内ロールであり、第２、第３の順回転案内ロール１２ｂ、１２ｃは、ウエブ状のカーボンペーパー１０のねじれ防止やしわ発生の防止の目的で配置される案内ロールである。また、図４に示すカーボンペーパー搬送装置１００において、３個の順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１はすべて同じとされている。

図４（ａ）に示すカーボンペーパー搬送装置１００ａでは、カーボンペーパー１０の送り方向の最上流側に位置する逆回転案内ロール１３ａの直径Ｄ２のみが、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１の３倍の大きさとされ、下流側の３個の逆回転案内ロール１３ｂ〜１３ｄの直径は、３個の順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１と同じとされている。

図４（ｂ）に示すカーボンペーパー搬送装置１００ｂでは、カーボンペーパー１０の送り方向の上流側の２個の逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂの直径Ｄ２が、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１の３倍の大きさとされ、下流側の２個の逆回転案内ロール１３ｃ、１３ｄの直径は、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１と同じとされている。

図４（ｃ）に示すカーボンペーパー搬送装置１００ｃでは、カーボンペーパー１０の送り方向の上流側から３個の逆回転案内ロール１３ａ、１３ｂ、１３ｃの直径Ｄ２が、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１の３倍の大きさとされ、最下流側の逆回転案内ロール１３ｄの直径は、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１と同じとされている。

図４（ｄ）に示すカーボンペーパー搬送装置１００ｄでは、４つの逆回転案内ロール１３ａ〜１３ｄすべての直径Ｄ２が、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１の３倍の大きさとされている。

カーボンペーパー搬送装置１００ａ〜１００ｄを用い、同じ条件でカーボンペーパー１０の搬送試験を行った結果を図５のグラフに示した。グラフにおいて、横軸は逆回転案内ロール１３の個数であり、縦軸は最下流の逆回転案内ロール１３ｄを通過した後のカーボンペーパー１０に発生した割れの発生数である。なお、横軸０は、すべての逆回転案内ロール１３ａ〜１３ｄとして、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１と同じ直径の案内ロールを用いた場合である。

図５のグラフに示されるように、逆回転案内ロール１３ａ〜１３ｄとして、大径（順回転案内ロール１２の直径Ｄ１の３倍以上の径）のものを増やしていくほど、カーボンペーパー１０に割れが発生するのを減らすことができることが確認できる。また、図４（ａ）に示した形態のカーボンペーパー搬送装置１００ａの場合でも、すべての逆回転案内ロール１３ａ〜１３ｄとして、順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１と同じ直径の案内ロールを用いた場合と比較して、カーボンペーパーの割発生数は少なくなっており、このことは、最も上流側に位置する逆回転案内ロール１３ａのみを直径が順回転案内ロール１２ａ〜１２ｃの直径Ｄ１の３倍とした場合でも、所期の目的を達成できることを示している。

５０、１００…巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置、
１０…燃料電池の一基材としてのカーボンペーパー、
１１…ウエブ状のカーボンペーパーを巻き込んだ巻き込みロール、
１２…順回転案内ロール、
１３…逆回転案内ロール、
Ｄ１…順回転案内ロールの直径、
Ｄ２…逆回転案内ロールの直径。

Claims (1)

1. 燃料電池の構成基材として用いられるカーボンペーパーが巻き込まれた巻き込みロールからカーボンペーパーを当該カーボンペーパーの被処理部に向けて搬送するための搬送装置であって、
   前記搬送装置は、前記巻き込みロールと前記被処理部の間に巻き込みロールから巻き出されるカーボンペーパーを案内する２個以上の案内ロールを備えており、少なくとも１つの案内ロールは案内時の回転方向が前記巻き込みロールのカーボンペーパー巻出し時の回転方向と同方向に回転する順回転案内ロールであり、少なくとも１つの案内ロールは案内時の回転方向が前記順回転案内ロールの回転方向と反対方向に回転する逆回転案内ロールであり、前記逆回転案内ロールの直径は前記順回転案内ロールの直径の３倍以上であることを特徴とする巻き込みロールからのカーボンペーパー搬送装置。

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