JP2003045443A - 高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布、及びその製造方法 - Google Patents

高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布、及びその製造方法

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JP2003045443A
JP2003045443A JP2001227056A JP2001227056A JP2003045443A JP 2003045443 A JP2003045443 A JP 2003045443A JP 2001227056 A JP2001227056 A JP 2001227056A JP 2001227056 A JP2001227056 A JP 2001227056A JP 2003045443 A JP2003045443 A JP 2003045443A
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fiber
woven fabric
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JP2001227056A
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Kenji Shimazaki
賢司 島崎
Shintaro Tanaka
慎太郎 田中
Yusuke Takami
祐介 高見
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Toho Tenax Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子電解質膜の損傷のない、電池性能を低
下させない高分子電解質型燃料電池電極材を提供する。 【解決手段】 厚さが0.15〜0.60mm、目付が
50〜150g/m2、比抵抗値が0.20Ωcm以
下、表面ケバ数が15ヶ/mm2以下である高分子電解
質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池電極材用炭素繊維不織布、及びその製造方法に関
する。特に高分子電解質型燃料電池内のセパレ−タ−と
高分子電解質膜の間に介在させ、集電性とガス拡散性を
有する電極材として有用な炭素繊維不織布、及びその製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素材料は、その導電性、耐熱性、耐薬
品安定性に優れているので、従来電池用電極材に用いら
れている。近年、炭素繊維は、その柔軟性、加工性、成
形性等の繊維形態の特徴を活かせる電極材として注目さ
れ、高分子電解質型燃料電池に応用されている。
【0003】高分子電解質型燃料電池の電極材に用いる
炭素繊維材料としては、特に薄型のシート状で、より低
コストで、電気抵抗値が低く、柔軟性がある炭素繊維材
料の要望が多く、種々の炭素繊維構造体が開発されてい
る。
【0004】高分子電解質型燃料電池用の炭素繊維構造
体としては、(1)C/Cペーパー(シート状の炭素繊
維強化炭素材料)、(2)炭素繊維フィラメント織物、
(3)炭素繊維紡績糸織物、並びに、(4)炭素繊維不
織布などが例示され、それぞれ以下のような特徴があ
る。
【0005】(1)C/Cペーパー C/Cペーパーは、例えば炭素繊維カットファイバーを
抄紙して炭素繊維紙を得、この炭素繊維紙に30〜60
質量%の樹脂を含浸させた後、圧縮処理し、次いで焼成
を行うことにより得られる。
【0006】得られたC/Cペーパーは、樹脂マトリッ
クスに起因する炭素繊維以外の炭素成分が多い。炭素繊
維含有率が85質量%以下と低く、表面ケバは少ない
が、硬く、脆く、且つ柔軟性がなく、ガスの通過性及び
拡散性が悪いなどの問題がある。
【0007】(2)炭素繊維フィラメント織物 炭素繊維織物は通常、その単繊維の直径が4〜25μm
程度である。500〜50000本の連続糸繊維束の織
物(炭素繊維フィラメント織物)や、撚りのある紡績糸
(スパンヤーン)からなる炭素繊維紡績糸織物がある。
炭素繊維フィラメント織物は、例えば炭素繊維フィラ
メントを製織することによって得られる。
【0008】得られる炭素繊維フィラメント織物は、面
方向の熱伝導率及び電気伝導率が高く、表面ケバは比較
的少ないが、フィラメントが平面方向に揃っているた
め、後記の炭素繊維紡績糸織物や炭素繊維不織布より厚
さ方向の電気抵抗値がより高い。
【0009】(3)炭素繊維紡績糸織物 炭素繊維紡績糸織物は、例えばポリアクリロニトリル系
酸化繊維ステープルを紡績して酸化繊維紡績糸を得、こ
れを製織して酸化繊維紡績糸織物にした後、焼成するこ
とにより得られる。
【0010】得られる炭素繊維紡績糸織物は、柔軟性が
あり、炭素繊維フィランメント織物に比べ厚さ方向の通
電性が高い。
【0011】しかし、炭素繊維紡績糸織物表面に発生す
るケバ(表面ケバ)が、後記の炭素繊維不織布に比べ多
い。
【0012】(4)炭素繊維不織布 炭素繊維不織布は、例えばポリアクリロニトリル系酸化
繊維ステープルを不織布加工して酸化繊維不織布を得、
これを焼成することにより得られる。
【0013】得られる炭素繊維不織布は、C/Cペーパ
ーに較べ、柔軟性があり、より低コストであり、嵩密度
が他の素材に比べ低い。
【0014】炭素繊維不織布は通常、その単繊維の直径
が約4〜25μm程度であり、嵩高で、厚さ方向への繊
維配列度が高い為、ガス透過性及び通電性に優れてい
る。
【0015】電極材など通電性を利用する用途に不織布
を用いる場合は、特に軽量、小型化の要望が強く、薄型
の不織布が望まれている。
【0016】高分子電解質型燃料電池は、その内部に電
極材と、厚さ10〜40μmの非常に薄く、しかも脆く
破れ易い高分子電解質膜との積層構造を有する。従っ
て、この電解質膜と、炭素繊維不織布とを加圧一体化し
て積層構造を形成する電池製造時に、電解質膜の破損が
生じないよう配慮する必要がある。
【0017】図1は、電極材として炭素繊維不織布を用
いた高分子電解質型燃料電池における、炭素繊維不織布
2と高分子電解質膜4との積層体の断面を示す概略図で
ある。
【0018】上記したように、炭素繊維不織布2は、表
面ケバ6が発生し易い。
【0019】炭素繊維不織布2表面に多量の繊維切断端
子部(ケバ)6が存在すると、高分子電解質膜4と炭素
繊維不織布2とを積層し、スタックを組立てる時、圧力
が高分子電解質膜4に及び、炭素繊維不織布2の表面ケ
バ6による電解質膜4の損傷の原因となり。最終的には
得られる電池の性能を低下させる。
【0020】表面ケバ6は、原料繊維の切断端子部、及
び不織布加工時の擦れや、張力による切断、更に、炭素
化時に脆くなることに基因する、炉内部との接触による
擦れによる切断や、熱収縮時の繊維切れにより発生す
る。
【0021】炭素繊維不織布は、上記問題を有するもの
の、柔軟性があり、加工度の良い点で、より低コストの
高分子電解質型燃料電池電極材として応用が進むと期待
されている。
【0022】この為、ケバの少ない炭素繊維不織布の開
発が要望されている。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上記問
題を解決すべく鋭意検討した結果、厚さ、目付、比抵抗
値、及び表面ケバ数を所定範囲にした炭素繊維不織布を
用いることによって、高分子電解質膜の損傷のない、電
池性能を低下させない高分子電解質型燃料電池電極材を
得ることができることを知得し、本発明を完成するに至
った。
【0024】本発明の目的とするところは、上記問題を
解決した高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織
布を提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、以下に記載するものである。
【0026】〔1〕 厚さが0.15〜0.60mm、
目付が50〜150g/m2、厚さ方向の比抵抗値が
0.20Ωcm以下、表面ケバ数が15ヶ/mm2以下
である高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織
布。
【0027】〔2〕 炭素繊維不織布の炭素質におい
て、炭素繊維に由来しない炭素質が2質量%以下である
〔1〕に記載の高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊
維不織布。
【0028】〔3〕 ポリアクリロニトリル系繊維に紡
糸オイルを0.01〜0.05質量%添着し、空気中で
初期酸化温度225〜245℃で酸化後、更に250〜
280℃の温度にて酸化し比重1.30〜1.39の酸
化繊維を得、得られた酸化繊維に、更に紡糸オイルを0
〜0.5質量%添着せしめ、不織布加工して酸化繊維不
織布を得、得られた酸化繊維不織布を、温度150〜4
00℃、圧力1〜50MPaで圧縮処理後、不活性ガス
雰囲気下、1300〜2200℃の温度にて焼成し炭素
化する高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布
の製造方法。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
【0030】本発明の高分子電解質型燃料電池用電極材
を形成する炭素繊維不織布は、厚さが0.15〜0.6
0mmであり、目付が30〜150g/m2であり、比
抵抗値が0.20Ωcm以下であり、且つケバ数が15
ヶ/mm2以下である。
【0031】炭素繊維不織布の厚さが0.15mm未満
の場合は、炭素繊維不織布の強力が低下し、電池形成加
工時における、切断、伸びが発生し易くなり、ケバが多
量に発生するなどの不具合を生ずるので好ましくない。
【0032】炭素繊維不織布の厚さが0.60mmを超
える場合は、厚さ方向の電気抵抗値が増加するので好ま
しくない。
【0033】炭素繊維不織布の目付が30g/m2より
低い場合は、炭素繊維不織布の強力が低下し、加工時に
おける、切断、伸びが発生し易くなるので好ましくな
い。
【0034】炭素繊維不織布の目付が150g/m2
り高い場合は、厚さ方向の電気抵抗値が増加するので好
ましくない。
【0035】炭素繊維不織布の比抵抗値が0.20Ωc
mを超える場合は、電池性能が低下するので好ましくな
い。
【0036】本発明の高分子電解質型燃料電池用電極材
を形成する炭素繊維不織布は、表面ケバ数が15ヶ/m
2以下である。
【0037】炭素繊維不織布の表面ケバとは、炭素繊維
不織布表面の繊維切断端子のことをいう。
【0038】本発明での不織布とは、ニードルパンチ方
式で製造する不織布や、ウォータージェット方式で製造
する不織布などをいう。
【0039】表面ケバの発生要因及び種類としては以下
のものが挙げられる。 ・原料繊維の切断に起因する繊維切断端子 ・不織布加工(カード加工、ニードルパンチ加工、及び
/又は、高圧水によるウォータージェットによる繊維交
絡処理)での繊維損傷による繊維切断端子 ・炭素化時の炉内壁面やガイド接触による擦れによる繊
維切断端子 ・炭素化時の過度な張力による繊維切断端子 炭素繊維不織布の表面ケバ数が15ヶ/mm2を超える
場合は、高分子電解質膜にキズが発生したり、膜に貫通
孔が発生するなど、高分子電解質膜を損傷する可能性が
高くなり好ましくない。更に表面ケバは、表面の擦れ等
により脱落し微粉末(フリーケバ)となり高分子電解質
膜の損傷や、不織布空隙を閉塞させガス拡散性を阻害す
る。
【0040】本発明の高分子電解質型燃料電池用電極材
を形成する炭素繊維不織布のX線結晶サイズは、1.3
〜3.5nmが好ましい。
【0041】炭素繊維不織布のX線結晶サイズが1.3
nm未満の場合は、電気伝導性が悪い、電池性能が低下
するなどの不具合を生ずるので好ましくない。
【0042】炭素繊維不織布のX線結晶サイズが3.5
nmを超える場合は、繊維が脆くなり、ケバ発生が大と
なるので好ましくない。
【0043】本発明の炭素繊維不織布の炭素質におい
て、樹脂マトリックス等に起因する、炭素繊維に由来し
ない炭素質は2質量%以下であることが好ましい。
【0044】炭素繊維不織布の炭素質において、炭素繊
維に由来しない炭素質が2質量%を超える場合、この構
造体で形成された電極材は、硬く、脆く、且つ柔軟性が
ない、ガスの通過性及び拡散性が悪いなどの不具合を生
ずるので好ましくない。
【0045】本発明の炭素繊維不織布は、その物性が上
記範囲内にあれば、その製造方法としては、特に限定さ
れるものではないが、例えば以下の製造方法により製造
することができる。
【0046】(プリカーサー)一般に炭素繊維の原料で
あるプリカーサーは、ポリアクリロニトリル系繊維(プ
リカーサー)、セルロース系繊維(プリカーサー)、及
びピッチ系繊維(プリカーサー)に分類することができ
る。
【0047】本発明の炭素繊維不織布の原料であるプリ
カーサーは、上記プリカーサーのうちでもポリアクリロ
ニトリル系繊維(プリカーサー)が好ましい。このプリ
カーサーはアクリロニトリルモノマーとコモノマーとの
共重合体が好ましい。
【0048】プリカーサー中のアクリロニトリル単位
は、モノマー単位及びコモノマー単位総量に対して90
〜98質量%が好ましい。コモノマーとしては、アクリ
ル酸メチルエステル、アクリルアミド、イタコン酸等の
ビニルモノマーなどが例示される。
【0049】本発明の炭素繊維不織布の製造方法の初期
工程においては、ポリアクリロニトリル系繊維(プリカ
ーサー)の紡糸オイル(油剤)として燐系オイルを用
い、プリカーサーに対する油剤付着量を0.01〜0.
05質量%にする。
【0050】ポリアクリロニトリル系プリカーサーの紡
糸オイル(油剤)としては、アルキル基又はアリル基を
有するホスフォネート又はホスフェート、並びに、これ
らの混合物等(アニオン系、カチオン系、又はノニオン
系分散剤を含む)が例示できる。具体的には、ブチルホ
スフェート(C49PO4)からなる油剤などがある。
【0051】油剤付着量が0.01質量%未満の場合
は、プリカーサー紡糸時プリカーサーのローラーへの巻
きつきが発生するので好ましくない。
【0052】油剤付着量が0.05質量%を超える場合
は、プリカーサーを酸化処理時、繊維間の膠着が発生し
て繊維表面欠陥が生じ、酸化繊維の紡績時、酸化繊維織
物加工時及び酸化繊維の炭素化時に、表面ケバ発生が多
発するので好ましくない。
【0053】(酸化処理)上記プリカーサーは、空気中
で、初期酸化温度220〜245℃で10〜60分酸化
処理後、温度勾配0.2〜0.9℃/minで最高温度
250〜280℃まで昇温され酸化処理される。
【0054】得られる酸化繊維の比重を1.30〜1.
39に制御する。この酸化繊維に、更に燐系オイルを0
〜0.5質量%付着させると共に、燐含有量を10〜2
50ppmに調整することが好ましい。
【0055】初期酸化温度が245℃より高いと繊維と
繊維表面間の融着が生じ、これが繊維表面の欠陥部とな
り、繊維強度が低下し、ケバ発生の要因となるので好ま
しくない。
【0056】初期酸化温度が220℃より低いと、酸化
繊維の所定の比重到達までに長時間を要し生産性が低下
するので好ましくない。
【0057】酸化繊維の適正な繊度は、0.8〜4.4
dtexである。
【0058】繊度の調整は、用いられるプリカーサーの
繊度、酸化時のリラックス条件により実施することがで
きる。
【0059】酸化繊維の繊度が0.8dtexより低い
場合は、単繊維の強力が低い為、織物加工時及び炭素化
時に糸切れが生じ易い、繊維の収束(分散性低下)によ
り加工性が低下する、並びに、ケバが発生し易いなどの
不具合を生ずるので好ましくない。
【0060】酸化繊維の繊度が4.4dtexより高い
場合は、酸化時間が長時間となり生産性が悪い、炭素化
時に繊維強度低下しケバが発生し易いなどの不具合を生
ずるので好ましくない。
【0061】酸化繊維の適正な比重は1.30〜1.3
9が好ましい。
【0062】酸化繊維の比重が1.30より低い場合
は、耐熱性が悪いため、炭素化時に炭素繊維強度が劣化
する、炭素繊維不織布にケバが発生し易いなどの不具合
を生ずるので好ましくない。
【0063】酸化繊維の比重が1.39より高い場合
は、酸化繊維の強度及び伸度が低下する、炭素繊維不織
布にケバが発生し易いなどの不具合を生ずるので好まし
くない。
【0064】酸化繊維の適正な乾強度は1.5g/dt
ex以上であり、適正な乾伸度は8%以上である。
【0065】酸化繊維の乾強度が1.5g/dtexよ
り低い場合は、不織布加工性が低下する、ケバが発生し
易いなどの不具合を生ずるので好ましくない。
【0066】酸化繊維の乾伸度が8%より低い場合も、
不織布加工性が低下する、ケバが発生し易いなどの不具
合を生ずるので好ましくない。
【0067】酸化繊維の適正な結節強度は0.8g/d
tex以上であり、適正な結節伸度は5%以上である。
【0068】酸化繊維の結節強度が0.8g/dtex
より低い場合は、不織布加工性低下及び炭素繊維不織布
の強度低下、並びに、ケバが発生し易いなどの不具合を
生ずるので好ましくない。
【0069】酸化繊維の結節伸度が5%より低い場合
も、不織布加工性低下及び炭素繊維不織布の強度低下、
並びに、ケバが発生し易いなどの不具合を生ずるので好
ましくない。
【0070】(不織布加工)上記酸化繊維は、定長カッ
ト又はトウリアクターでバイアスカットして短繊維にさ
れ、この短繊維は酸化繊維不織布に不織布加工される。
【0071】短繊維の平均カット長は25〜65mmが
好ましく、この範囲以外の場合は、不織布加工時糸切れ
を生ずる、ケバが発生し易いなどの不具合を生ずるので
好ましくない。
【0072】酸化繊維不織布のクリンプ率は8〜25%
が好ましい。
【0073】酸化繊維不織布のクリンプ率が8%より低
い場合は、繊維同士の絡み合いが少なく、不織布加工時
糸切れを生じ易いので好ましくない。
【0074】酸化繊維不織布のクリンプ率が25%より
高い場合は、酸化繊維不織布を構成する単繊維の強度が
低下し、不織布加工時糸切れを生じ易いので好ましくな
い。
【0075】酸化繊維不織布のクリンプ数は2.0〜
5.5ヶ/cmが好ましい。
【0076】酸化繊維不織布のクリンプ数が2.0ヶ/
cmより低い場合は、繊維同士の絡み合いが少なく、不
織布加工時糸切れを生じ易いので好ましくない。
【0077】酸化繊維不織布のクリンプ数が5.5ヶ/
cmより高い場合は、酸化繊維不織布を構成する単繊維
の強度が低下し、不織布加工時糸切れを生じ易いので好
ましくない。
【0078】酸化繊維の不織布加工に用いる油剤の種類
としては、アルキル基又はアリル基を有するポスフォネ
ート又はホスフェート、並びに、これらの混合物等(ア
ニオン系、カチオン系、又はノニオン系分散剤を含む)
が例示される。
【0079】上記燐系油剤の酸化繊維への付着量は0.
50質量%以下が好ましく、また酸化繊維中の燐含有量
で10〜250ppmになるように、燐系油剤を付着さ
せるのが好ましい。
【0080】油剤付着量が0.50質量%を超える場合
は、プリカーサーを酸化処理時、繊維間の膠着が発生し
て繊維表面欠陥が生じ、酸化繊維の紡績時、酸化繊維織
物加工時及び酸化繊維の炭素化時に、表面ケバ発生が多
発するので好ましくない。
【0081】酸化繊維中の燐含有量が10ppm未満の
場合は、酸化繊維の耐熱性が低下し、炭素化時に繊維切
れを生じ織物の表面ケバ発生の原因となるので好ましく
ない。
【0082】酸化繊維中の燐含有量が250ppmを超
える場合は、炭素化時に繊維表面が膠着(繊維と繊維表
面が微接着)し繊維切れの原因となるので好ましくな
い。
【0083】この酸化繊維について、カード加工、ニー
ドルパンチ加工、及び/又は、高圧水によるウォーター
ジェットによる繊維交絡処理を施して不織布加工し、酸
化繊維不織布を作製する。不織布加工での打ち込み本数
は100〜400本/cm2が好ましい。
【0084】酸化繊維不織布について、厚さは0.5〜
2.0mm,嵩密度は0.15〜0.45g/cm3
目付は70〜250g/m2が好ましい。
【0085】(圧縮処理)この酸化繊維不織布を、樹脂
処理又は樹脂処理せずに、圧縮処理し、炭素化する。
【0086】炭素繊維不織布の表面ケバの発生を抑制す
るためには、特に炭素化時の炉内壁面等の擦れによるケ
バ立ちを改善するためには、酸化繊維不織布の表面に立
っているケバを、平面方向に抑えこんで(ケバ伏せ)表
面平滑性を保持するなど、圧縮処理や、樹脂処理+圧縮
処理を行うことが好ましい。
【0087】樹脂処理においては、酸化繊維不織布を所
定の濃度の樹脂浴に浸漬し、樹脂を10.0質量%以下
の範囲で添着させることが好ましい。
【0088】樹脂の添着量が10.0質量%より多い場
合は、炭素繊維不織布の柔軟性が損なわれ、脆性が高く
なるので好ましくない。
【0089】樹脂処理に用いる樹脂の種類としては、ポ
リアクリル酸エステル、カルボキシメチルセローズ及
び、ポリビニルアルコール等の(環境面から有機溶剤を
使用しない)水溶性の樹脂が好ましい。
【0090】圧縮処理は、樹脂処理なし又は樹脂処理後
に行われるが、上述したように、圧縮処理時によるケバ
抑制効果は、あらかじめ樹脂処理後、圧縮処理する方が
発揮される。
【0091】圧縮処理温度は150〜400℃が好まし
い。
【0092】圧縮処理温度が150℃より低い場合は、
ケバ抑制効果が小さいので好ましくない。
【0093】圧縮処理温度が400℃より高い場合は、
圧縮処理後の酸化繊維不織布中の繊維強度劣化、表面ケ
バ発生の要因となるので好ましくない。
【0094】圧縮処理の圧力は1〜50MPaが好まし
い。
【0095】圧縮処理の圧力が1MPaより低い場合
は、ケバ抑制効果が小さいので好ましくない。
【0096】圧縮処理の圧力が50MPaより高い場合
は、圧縮処理後の酸化繊維不織布中の繊維強度劣化、表
面ケバ発生の要因となるので好ましくない。
【0097】圧力処理装置は、ホットプレス又は熱ロー
ラーのいずれでも良い。
【0098】(炭素化)圧縮処理した酸化繊維不織布
は、連続的に、不活性ガス雰囲気下、1300〜220
0℃の温度にて焼成し炭素化する。不活性ガスとして
は、窒素、アルゴン、ヘリウム等が用いられる。
【0099】焼成温度が1300℃より低い場合は、得
られる炭素繊維不織布の電気抵抗値が増加するので好ま
しくない。
【0100】焼成温度が2200℃より高い場合は、電
気抵抗値が低下し、測定値のバラツキが少なく安定した
値を示すが、炭素繊維不織布の強度が低下する、ケバが
発生し易いなどの不具合を生ずるので好ましくない。
【0101】炭素化時における不織布の収縮率は0〜1
5%が好ましい。
【0102】不織布にかける張力が少ないと酸化繊維は
炭素化時に熱収縮する。炭素化時における不織布の収縮
率が0%未満の場合(不織布に張力をかけ収縮を抑え、
引っ張って伸ばした状態の場合)は、過度な張力をかけ
収縮を規制し伸ばし過ぎる場合に相当する。この場合
は、繊維切れを生じ表面ケバ発生の要因となるので好ま
しくない。
【0103】炭素化時における不織布の収縮率が15%
を超える場合は、繊維強度が低下する、並びに、炭素化
時に、不織布に皺、折れを生じ、炭素化炉内部で蛇行
し、炉内への垂れ込みにより、炉壁に接触する為、ケバ
発生の要因となるなどの不具合を生ずるので好ましくな
い。
【0104】収縮を抑えるための不織布にかける張力
は、1.5kgf/cm以下が好ましい。高分子電解質
電極材用炭素繊維不織布は、厚さが薄く、且つ目付が低
い素材であり、過度な張力により、炭素化時に伸びや切
断を生じ、ケバ発生の要因となる。
【0105】焼成炉の形式については、タテ型炉及びヨ
コ型炉どちらでもよいが、不織布表面を焼成炉内部(粗
な壁面、ガイド)で擦らないようにすることが好まし
い。ヨコ型炉の場合は、炉底において不織布素材の底面
を擦らないようにすることが好ましい。例えば、炭素材
のベルトコンベヤー、又は、柔軟性があり、高目付、且
つ高強度の炭素繊維フェルトを並走させ炭素化すること
により、擦過によるケバの発生を抑制することができ
る。
【0106】
【実施例】本発明を以下の実施例及び比較例により詳述
する。
【0107】以下の実施例及び比較例の条件により酸化
繊維不織布、炭素繊維不織布等を作製し、得られた酸化
繊維不織布、炭素繊維不織布等の諸物性値を、以下の方
法により測定した。
【0108】厚さ:直径30mmの円形圧板で200g
の荷重(2.8kPa)時の厚さを測定した。
【0109】比重:液置換法(JISR7601、置換
液:エチルアルコール)により測定した。
【0110】繊維性能:乾強度、乾伸度、結節強度、結
節伸度はJISL1015により測定した。
【0111】表面ケバ数:炭素繊維不織布の上面及び下
面の顕微鏡写真(倍率50倍)をとり、それぞれ5mm
角の繊維切断端子の数を測定し、下式により算出した。 ケバ数(ヶ/mm2)=[(上面の表面の繊維切断端子
の数+下面の表面の繊維切断端子の数)/2]÷25 X線結晶サイズ:広角X線回折測定での2θのピークの
半値幅と下記のシェラーの式より求めた。 X線結晶サイズ(nm)=(k×λ)/β×cosθ k:装置定数 0.90 λ:X線波長 0.154nm β:2θ=26.0°付近の最大ピークの半値幅 通電性(比抵抗値):2枚の50mm角(厚さ10m
m)の金メッキした電極に炭素繊維不織布の両面を圧力
1MPaで挟み、両電極間の電気抵抗値(R)を測定
し、厚さ(T)と接触面積(S)より下式にて算出し
た。 通電性(比抵抗値:Ωcm)=(R×S)/T 炭素化時の収縮率:炭素化前の酸化繊維不織布端部にフ
ィラメント数12000本の炭素繊維フィラメント束を
長さ方向に100cm間隔で予め結び、これを連続的に
炭素化した。炭素化後の炭素化フィラメントで結んだ間
隔を測定し下記の式により算出した。 収縮率(%)=100−炭素化後のフィラメントで結ん
だ炭素繊維不織布の間隔(cm) 実施例1〜3 アクリロニトリル93質量%、アクリル酸メチル4質量
%、イタコン酸2質量%を共重合させた繊度1.6dt
exのアクリル繊維にブチルホスフェート0.01質量
%付着させ、この繊維を空気中にて初期酸化温度230
℃で1hrs処理後、更に260℃で1.0hrs酸化
処理した。
【0112】得られた繊度2.3dtex、比重1.3
5、クリンプ数3.5ヶ/cm、クリンプ率12%、乾
強度2.8g/dtex、乾伸度25%、結節強度0.
9g/dtex、結節伸度5%のポリアクリロニトリル
系酸化繊維を紡績オイル(ブチルホスフェート)処理し
た後(付着量0.3質量%、燐含有量60ppm)、5
1mmにカットしてステープルを得、このステープルを
不織布加工した。
【0113】不織布の目付は215g/m2、厚さは
1.0mmであった。
【0114】更に表1に示すように、樹脂処理せずに圧
縮処理、又は樹脂処理後圧縮処理した後、酸化繊維不織
布を炭素化した。炭素化は、ヨコ型炉にて、窒素雰囲気
下、1700℃にて張力がかからないように不織布の底
面に目付400g/m2の炭素繊維フェルトを並走させ
炭素化を行った。
【0115】その結果を表1に示す。表1に示すよう
に、表面ケバの少ない炭素繊維不織布を得ることができ
た。
【0116】比較例1 アクリロニトリル93質量%、アクリル酸メチル4質量
%、イタコン酸2質量%を共重合させた繊度1.6dt
exのアクリル繊維にブチルホスフェート0.06質量
%付着させた後、空気中にて初期酸化温度230℃で1
hrs処理し、更に260℃で1.0hrs酸化処理し
た。
【0117】得られた酸化繊維は、繊維間の膠着が多
く、繊度2.3dtex、比重1.36、クリンプ数
3.3ヶ/cm、クリンプ率11%、乾強度2.1g/
dtex、乾伸度20%、結節強度0.3g/dte
x、結節伸度3%、燐含有量135ppmであった。こ
の酸化繊維を51mmにカットしてステープルを得、こ
のステープルを不織布加工した。
【0118】この酸化繊維不織布の目付は220g/m
2、厚さは1.1mmであった。
【0119】更に、ヨコ型炉にて、窒素雰囲気下、17
00℃にて不織布の底面に目付400g/m2の炭素繊
維フェルトを並走させ不織布に張力がかからないように
して、炭素化を行った。
【0120】得られた炭素繊維不織布の物性を表1の比
較例1に示す。炭素繊維不織布の表面ケバ数は21ヶ/
mm2であった。 比較例2 実施例1〜3と同じアクリル繊維を用いて、初期酸化温
度を235℃にて1hrs処理後、更に、260℃にて
6hrs酸化処理した。
【0121】得られた繊度2.2dtex、比重1.4
4、クリンプ数3.5ヶ/cm、クリンプ率11%、乾
強度2.0g/dtex、乾伸度15%、結節強度0.
3g/dtex、結節伸度2%の酸化繊維(燐含有量5
ppm)を、51mmにカットしてステープルを得、こ
のステープルを不織布加工した。
【0122】この酸化繊維不織布の目付は213g/m
2、厚さは1.1mmあった。
【0123】次いで、この酸化繊維不織布を、ヨコ型炉
にて、窒素雰囲気下、1700℃にて不織布の底面に目
付400g/m2の炭素繊維フェルトと並走させ不織布
に張力がかからないようにして、炭素化を行った。
【0124】得られた炭素繊維不織布の物性を表1に示
す。炭素繊維不織布の表面ケバ数は35ヶ/mm2であ
った。
【0125】
【表1】
【0126】比較例3 実施例1〜3と同じアクリル繊維を用いて、初期酸化温
度を235℃にて1hrs処理後、更に、260℃にて
0.5hrs酸化処理した。
【0127】紡績オイル(ブチルホスフェート、付着量
0.3質量%、燐含有量63ppm)処理し得られた繊
度2.2dtex、比重1.28、クリンプ数4.3ヶ
/cm、クリンプ率12%、乾強度2.4g/dte
x、乾伸度27%、結節強度0.9g/dtex、結節
伸度8%の酸化繊維をカットして平均カット長51mm
のステープルを得、このステープルを不織布加工した。
【0128】得られた酸化繊維不織布の目付は215g
/m2、厚さは1.0mmであった。
【0129】この酸化繊維不織布は、PVA水溶液によ
り処理し(付着量1.0質量%)、200℃、空気中
で、30MPaの圧力で圧縮処理し、厚さ0.35mm
の酸化繊維不織布を得た。
【0130】更に酸化繊維不織布を、ヨコ型炉にて、窒
素雰囲気下、1700℃にて不織布の底面に目付400
g/m2の炭素繊維フェルトと並走させ不織布に張力が
かからないようにして、炭素化を行った。得られた炭素
繊維不織布の物性を表2に示す。炭素繊維不織布のケバ
は29ヶ/mm2であった。
【0131】比較例4 アクリロニトリル93質量%、アクリル酸メチル4質量
%、イタコン酸2質量%を共重合させた繊度1.6dt
exのアクリル繊維にブチルホスフェート0.20質量
%付着させ、この繊維を空気中にて初期酸化温度230
℃で1hrs処理後、更に260℃で1.0hrs酸化
処理した。
【0132】得られた繊度2.3dtex、比重1.3
5、クリンプ数3.4ヶ/cm、クリンプ率12%、乾
強度2.1g/dtex、乾伸度21%、結節強度0.
4g/dtex、結節伸度3%の酸化繊維を紡績オイル
(ブチルホスフェート)処理した後(付着量0.8質量
%、燐含有量280ppm)、51mmにカットしてス
テープルを得、このステープルを不織布加工した。
【0133】得られた酸化繊維不織布の目付は210g
/m2、厚さは1.0mmであった。
【0134】更にPVA処理し15質量%付着させ、2
50℃、圧力20MPaにて圧縮処理し、厚さ0.31
mmの不織布を得た。
【0135】この酸化繊維不織布は、タテ型炉にて、窒
素雰囲気下、1700℃にて張力0.4kgf/cm
で、炉壁面に接触しないように炭素化を行った。得られ
た炭素繊維不織布の物性を表2に示す。炭素繊維不織布
のケバ数は30ヶ/mm2であった。
【0136】比較例5 実施例1〜3と同じ酸化繊維不織布をカルボキシメチル
セルローズ(CMC)水溶液で処理し、CMCを2質量
%付着させた。これを200℃、圧力30MPaにて圧
縮処理し、厚さ0.36mmの不織布を得た。
【0137】この酸化繊維不織布を、ヨコ型炉にて、窒
素雰囲気下、2650℃にて張力のかからないように、
実施例1〜3と同じ、高目付の炭素繊維フェルトと並走
させ炭素化を行った。
【0138】得られた炭素繊維不織布の特性を表2に示
す。炭素繊維不織布のケバ数は23ヶ/mm2であっ
た。
【0139】
【表2】
【0140】
【発明の効果】本発明の高分子電解質型燃料電池電極材
用炭素繊維不織布は、厚さ、目付、比抵抗値、及び表面
ケバ数を所定範囲にしているので、高分子電解質膜の損
傷のない、電池性能を低下させない高分子電解質型燃料
電池電極材を得ることができる。
【0141】また、炭素繊維不織布は、炭素繊維紡績糸
織物に比べ、厚さ方向に柔軟性があり、表面ケバ数の上
限値がより高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電極材として炭素繊維不織布を用いた高分子電
解質型燃料電池における、炭素繊維不織布と高分子電解
質膜との積層体の断面を示す概略図である。
【符号の説明】
2 炭素繊維不織布 4 高分子電解質膜 6 表面ケバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高見 祐介 静岡県駿東郡長泉町上土狩234 東邦テナ ックス株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 DD06 EE05 HH00 HH03 HH06 HH08 HH09 5H026 AA06 BB01 BB02 BB04 BB10 CX03 EE05 HH00 HH03 HH06 HH08 HH09

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 厚さが0.15〜0.60mm、目付が
    50〜150g/m 2、厚さ方向の比抵抗値が0.20
    Ωcm以下、表面ケバ数が15ヶ/mm2以下である高
    分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布。
  2. 【請求項2】 炭素繊維不織布の炭素質において、炭素
    繊維に由来しない炭素質が2質量%以下である請求項1
    に記載の高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織
    布。
  3. 【請求項3】 ポリアクリロニトリル系繊維に紡糸オイ
    ルを0.01〜0.05質量%添着し、空気中で初期酸
    化温度225〜245℃で酸化後、更に250〜280
    ℃の温度にて酸化し比重1.30〜1.39の酸化繊維
    を得、得られた酸化繊維に、更に紡糸オイルを0〜0.
    5質量%添着せしめ、不織布加工して酸化繊維不織布を
    得、得られた酸化繊維不織布を、温度150〜400
    ℃、圧力1〜50MPaで圧縮処理後、不活性ガス雰囲
    気下、1300〜2200℃の温度にて焼成し炭素化す
    る高分子電解質型燃料電池電極材用炭素繊維不織布の製
    造方法。
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