JP6620711B2 - 熱転写用シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベースフィルムの一方の面に複数の層が形成された熱転写用シートの製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池を構成するセパレータを、金属板材を成形して製造する技術が周知である（例えば特許文献１参照）。金属板材からなるセパレータの基材の表面には酸化被膜（不動態被膜）が存在している。こうした酸化被膜は金属板材の母材に比べて接触抵抗が大きいことから、基材の表面と電極との接触部分で多量のジュール熱が発生し、大きな熱損失が発生して燃料電池の発電効率を低下させる一因となる。

これに対して、特許文献１に記載の技術では、金属材料からなる基材の表面に対して、樹脂材料からなる結合材と、基材の被膜よりも硬度が高く、且つ導電性を有する充填材とを含む第１塗料が塗工される（第１工程）。続いて、基材に塗工された第１塗料の上に、樹脂材料からなる結合材とグラファイト粒子とを含む第２塗料が塗工される（第２工程）。最後に、第１塗料の結合材および前記第２塗料の結合材を硬化させるとともに充填材が基材の酸化被膜を貫通して母材の表面に接触するように、第１塗料および第２塗料が塗工された基材が加圧される（第３工程）。こうして製造されたセパレータにおいては、基材の表面に酸化被膜が存在していても、基材の母材、充填材、およびグラファイト粒子によって、接触抵抗の大きい酸化被膜を経由しない導電経路が形成されるため、セパレータと電極との接触抵抗を低減することができる。

また、特許文献２には、転写用シートを用いてセパレータの基材の表面に金を転写する技術が開示されている。この転写用シートはポリエステル製のベースフィルムを有しており、その一方の面に金が真空蒸着されている。

特開２０１５−２２８８５号公報 特開２００２−２３７３１１号公報

ところで、特許文献１に記載の技術の場合、基材に対して第１塗料および第２塗料を各別に塗工しなければならず、製造工程が煩雑になる。
一方、特許文献２に記載の技術のように、熱転写用シートを用いて基材の表面に２つの層を一度に転写（熱転写）することが考えられる。図７および図８に示すように、そうした熱転写用シート６０の製造に際しては、ベースフィルム７０の一方の面に第１塗料８０Ａを塗工して第１層８０を形成する。続いて、第１層８０上に第２塗料９０Ａを塗工して第２層９０を形成する。しかしながらこの場合、図７中に矢印で示すように、塗工された第２塗料９０Ａの充填材９１や結合材９２が、第１層８０のグラファイト粒子８１同士の間や結合材８２同士の間、あるいはグラファイト粒子８１と結合材８２との間に形成された空隙（図示略）に吸収されやすい。そのため、図８に示すように、第２塗料９０Ａが上記空隙に吸収された部分ほど第１層８０および第２層９０全体の厚さが薄くなり、同厚さを均一にすることが難しい。これに対して、第２塗料９０Ａの塗工量を増やすことにより厚さを均一にすることが考えられる。しかしながら、この場合には、第２塗料９０Ａの使用量が増大してコストが増大する。また、第１層８０および第２層９０全体の厚さが大きくなることによってセパレータの板厚が増大する。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、塗料の使用量の増大を抑制しつつ、層の厚さが位置によってばらつくことを抑制することのできる熱転写用シートの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための熱転写用シートの製造方法は、ベースフィルムの一方の面に複数の層が形成された熱転写用シートを製造する方法であって、炭素系材料からなる第１粒子を含む第１塗料を調合するとともに、同第１塗料に含まれる前記第１粒子を粉砕する調合粉砕工程と、前記ベースフィルムの一方の面に前記第１塗料を塗工して第１層を形成する第１塗工工程と、前記第１層上に導電性粒子と樹脂材料からなる結合材とを含む第２塗料を塗工して第２層を形成する第２塗工工程と、を備える。

上記製造方法によれば、第１塗料の塗工に先立ち、第１塗料に含まれる第１粒子を粉砕して微粒子化することができる。そのため、第１塗料からなる第１層を緻密な構造にすることができ、第１層における空隙の割合が低減される。これにより、その後の第２塗料の塗工に際して、第２塗料中の導電性粒子や結合材が第１層の空隙に吸収されることを抑えることができ、第１層の各部における導電性粒子や結合材の吸収量にばらつきが生じることを抑えることもできる。したがって、塗料の使用量の増大を抑制しつつ、層の厚さが位置によってばらつくことを抑制することができる。

本発明にかかる熱転写用シートの製造方法によれば、塗料の使用量の増大を抑制しつつ、層の厚さが位置によってばらつくことを抑制することができる。

一実施形態の製造方法が適用される熱転写用シートの断面図。 同製造方法の各工程を示すフローチャート。 調合粉砕工程におけるグラファイト粒子の粉砕手法を示す略図。 粉砕装置の通過前後におけるグラファイト粒子の粒径分布を示すグラフ。 第１塗工工程を示す断面図。 第２塗工工程を示す断面図。 従来の製造方法が適用される熱転写用シートの製造過程における断面図。 従来の製造方法が適用される熱転写用シートの断面図。

以下、図１〜図６を参照して、熱転写用シートの製造方法の一実施形態について説明する。
図１に示すように、熱転写用シート１０は、ポリエチレンテレフタレート製のベースフィルム２０を有している。ベースフィルム２０の一方の面には第１層３０が形成されており、この第１層３０上には第２層４０が形成されている。

第１層３０は、グラファイト粒子３１を含んでいる。本実施形態では、このグラファイト粒子３１が、炭素系材料からなる第１粒子に相当する。
また、第２層４０は、導電性粒子４１と結合材４３とを含んでいる。本実施形態では、導電性粒子４１は窒化チタンであり、結合材４３はエポキシ樹脂である。

次に、熱転写用シート１０の製造方法について説明する。
先ず、図２のステップＳ１に示す調合粉砕工程において、グラファイト粒子３１と溶剤３２（本実施形態では、Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とを含む第１塗料３０Ａが調合される。そして、図３に示すように、調合された第１塗料３０Ａを粉砕装置５０に通過させることにより、第１塗料３０Ａに含まれるグラファイト粒子３１を粉砕する処理が実行される。なお本実施形態では、粉砕装置５０として、いわゆる湿式ジェットミルが採用されている。

図４に、粉砕装置５０の通過前後におけるグラファイト粒子３１の粒径分布を測定した結果を示す。図４に示すように、粉砕装置５０を通過する前のグラファイト粒子３１のメジアン径が比較的大きい（詳しくは「１０μｍ」程度）のに対して、粉砕装置５０を通過した後のグラファイト粒子３１のメジアン径は小さく（具体的には「５μｍ」程度）になる。また図４から明らかなように、粉砕装置５０を通過する前のグラファイト粒子３１の粒径のばらつきと比較して、粉砕装置５０を通過した後のグラファイト粒子３１の粒径のばらつきが小さくなる。本実施形態では、こうしたグラファイト粒子３１の微粒子化と粒径ばらつきの縮小とが共に実現されるように、粉砕装置５０の仕様が定められている。

その後、図２のステップＳ２に示す第１塗工工程において、ベースフィルム２０（図１）の一方の面に第１層３０が形成される。詳しくは、図５に示すように、ベースフィルム２０が搬送装置（図示略）によって搬送されるとともに、搬送されるベースフィルム２０の一方の面に対して、塗工機（図示略）の塗工ヘッド５１から第１塗料３０Ａが供給されて第１塗料３０Ａが塗工される。

続いて、図２のステップＳ３に示す第２塗工工程において、第１層３０上に第２層４０が形成される。詳しくは、図６に示すように、第１層３０（または第１塗料３０Ａの層）を有するベースフィルム２０が搬送装置（図示略）によって搬送されるとともに、この第１層３０の表面に対して塗工ヘッド５２から第２塗料４０Ａが供給されて第２塗料４０Ａが塗工される。この第２塗料４０Ａには、上述した導電性粒子４１および結合材４３の他に溶剤４４が含まれている。なお、この溶剤４４はメチルエチルケトンである。

本実施形態では、こうした調合粉砕工程、第１塗工工程、および第２塗工工程を通じて、熱転写用シート１０（図１）が製造される。
ちなみに、本実施形態の熱転写用シート１０を用いた燃料電池のセパレータへの樹脂層の形成は、以下のようにして行われる。熱転写装置により、熱転写用シート１０の第２層４０の表面と燃料電池のセパレータの表面とを密着させた状態で、同熱転写用シート１０が加圧および加熱される。このとき、第２層４０の導電性粒子４１がセパレータ表面の酸化被膜を貫通してセパレータの母材の表面に接触するとともに、結合材４３が硬化する。これにより、導電性粒子４１を含むエポキシ樹脂からなる第１樹脂層がセパレータの表面に形成される。また、このとき、結合材４３の一部がグラファイト粒子３１の間に流れ出て硬化する。これにより、グラファイト粒子３１を含むエポキシ樹脂からなる第２樹脂層が上記第１樹脂層上に形成される。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、第１塗工工程における第１塗料３０Ａの塗工に先立ち、調合粉砕工程において、第１塗料３０Ａに含まれるグラファイト粒子３１を粉砕して微粒子化することができる。

そのため、グラファイト粒子を粉砕する処理を実行しない手法で製造された熱転写用シート（図７参照）と比較して、熱転写用シート１０（図１）の第１層３０（あるいは第１塗料３０Ａの層）を緻密な構造にすることができ、同第１層３０における空隙の割合が低減されるようになる。なお、この空隙は、グラファイト粒子３１同士の間や、溶剤３２同士の間、あるいはグラファイト粒子３１と溶剤３２との間に形成される空隙である。したがって、その後の第２塗工工程における第２塗料４０Ａの塗工に際して、第２塗料４０Ａ中の導電性粒子４１や結合材４３が第１層３０の空隙に吸収されることを抑えることができ、さらには第１層３０の各部における導電性粒子４１や結合材４３の吸収量にばらつきが生じることを抑えることもできる。これにより、第２塗料４０Ａの塗工量を増やさなくても、熱転写用シート１０の各部における第２層４０の厚さのばらつきが抑えられるようになるため、第２層４０の狙いの厚さを薄くすることができる。

このように本実施形態の熱転写用シート１０の製造方法によれば、第２塗料４０Ａの使用量の増大を抑制しつつ、第１層３０および第２層４０からなる塗料層の厚さが位置によってばらつくことを抑制することができる。

発明者等による各種の実験やシミュレーションの結果から、前記調合粉砕工程（図２のステップＳ１）において、グラファイト粒子３１のメジアン径が３μｍ以上、６μｍ以下の範囲内になるように同グラファイト粒子３１を粉砕することにより、塗料使用量の増大を抑えつつ、塗料層の厚さのばらつきを適度に抑えることが可能になることが分かった。なお、グラファイト粒子３１の粒径（詳しくは、その粒径分布）の測定には、株式会社堀場製作所製のレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置“ＬＡ−９５０”を使用した。この点を踏まえて、本実施形態では、調合粉砕工程において、グラファイト粒子３１のメジアン径が「５μｍ」になるように同グラファイト粒子３１を粉砕するようにしている。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）第１塗料３０Ａの塗工に先立ち、同第１塗料３０Ａに含まれるグラファイト粒子３１を粉砕する処理を実行するようにした。そのため、第２塗料４０Ａの使用量の増大を抑制しつつ、第１層３０および第２層４０からなる塗料層の厚さが位置によってばらつくことを抑制することができる。

（２）調合粉砕工程において、グラファイト粒子３１のメジアン径が「５μｍ」になるように同グラファイト粒子３１を粉砕するようにした。そのため、塗料使用量の増大を抑えつつ、塗料層の厚さのばらつきを適度に抑えることができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・粉砕装置としては、例えば湿式ビーズミルなど、湿式ジェットミル以外の装置を採用することができる。

・調合粉砕工程において、グラファイト粒子３１のメジアン径が３μｍ未満の所定値になるように同グラファイト粒子３１を粉砕する処理を実行したり、グラファイト粒子３１のメジアン径が６μｍよりも大きい所定値になるように同グラファイト粒子３１を粉砕する処理を実行したりしてもよい。

・ベースフィルム２０は、ポリエチレンテレフタレート製のものに限定されず、他の材料（例えばポリエチレン）によって形成されたものに変更することができる。
・導電性粒子４１は窒化チタンに限定されず、カーボンブラックや炭化チタン、硼化チタンなど他の導電性セラミックスに変更することができる。

・第１塗料３０Ａに含まれるグラファイト粒子３１を、炭素系材料からなる他の粒子（カーボンブラック粒子など）に変更することができる。
・第１塗料３０Ａとして、グラファイト粒子３１および溶剤３２に加えて結合材を含むものを用いてもよい。この結合材としてはエポキシ樹脂を採用することができる。また、第１塗料３０Ａの結合材および第２塗料４０Ａの結合材の双方をポリフッ化ビニリデン樹脂にすることもできる。その他、第１塗料３０Ａの結合材および第２塗料４０Ａの結合材の一方をエポキシ樹脂にするとともに、他方をポリフッ化ビニリデン樹脂にすることもできる。また、第１塗料３０Ａの結合材や第２塗料４０Ａの結合材は、上記以外の他の樹脂材料からなるものであってもよい。

１０…熱転写用シート、２０…ベースフィルム、３０…第１層、３０Ａ…第１塗料、３１…グラファイト粒子、３２…溶剤、４０…第２層、４０Ａ…第２塗料、４１…導電性粒子、４３…結合材、４４…溶剤、５０…粉砕装置、５１，５２…塗工ヘッド。

Claims (2)

1. 燃料電池のセパレータの表面に密着させた状態で加圧及び加熱されることで前記セパレータの表面に導電性の複数の層を一度に熱転写する熱転写用シートを製造する方法であって、
   炭素系材料からなる第１粒子を含む第１塗料を調合するとともに、同第１塗料に含まれる前記第１粒子を粉砕する調合粉砕工程と、
   ベースフィルムの一方の面に前記第１塗料を塗工して第１層を形成する第１塗工工程と、
   前記第１層上に導電性粒子と樹脂材料からなるとともに前記セパレータの表面に結合される結合材とを含む第２塗料を塗工して第２層を形成する第２塗工工程と、を備える熱転写用シートの製造方法。
   
2. 請求項１に記載の熱転写用シートの製造方法において、
   前記調合粉砕工程では、前記第１粒子のメジアン径が３μｍ以上、６μｍ以下の範囲内になるように、同第１粒子を粉砕する
   ことを特徴とする熱転写用シートの製造方法。

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