JP2016143492A

JP2016143492A - 燃料電池用炭素繊維織物およびその製造方法

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Publication number: JP2016143492A
Application number: JP2015016779A
Authority: JP
Inventors: 一郎吉野; Ichiro Yoshino; 久司永井; Hisashi Nagai; 順高木; Jun Takagi; 犬山久夫; Hisao Inuyama; 久夫犬山
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-08
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP6547936B2

Abstract

【課題】燃料電池内に積層した場合の厚みを小さくし、接触時の電気抵抗を下げることのできる燃料電池用炭素繊維織物およびその製造方法を提供する。
【解決手段】多数の単繊維からなる経糸および緯糸から形成された燃料電池用炭素繊維織物において、経糸の集合体である経糸群または緯糸の集合体である緯糸群の少なくとも一方を実質的に無撚とする。また、経糸群または緯糸群の少なくとも一方の断面視において、経糸群または緯糸群の断面の輪郭の一部に直線部を形成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、車両、船舶、航空機等の交通機関に搭載される燃料電池用途の炭素繊維織物およびその製造方法に関する。

従来、環境問題の関心の高さから新たなエネルギー源として燃料電池による発電が注目されており、その電極として炭素繊維製の織物が有用である。その中でも家庭用や車両用として主流である固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池またはＦＣとする）は、高分子膜の両面に電極が接合された膜・触媒接合体（以下、ＣＣＭとする）と、燃料ガス、酸化剤ガスを電極反応域に導くガス拡散層（以下、ＧＤＬとする）と、ガス導入・排出溝を持つセパレータやシール材等からなる単位ユニット（以下、セルとする）が繰り返し積層されており、概略Ａ４版サイズの面積で数百枚のセルを積層して組み上げ、これらを両側から板で締め上げる構造である。

ＧＤＬは一般的に１ｍｍ以下の薄いシート状に形成された部材で、外部からの水素を含む燃料ガス、或いは酸素を含む酸化剤ガスの２つの反応ガスを電極触媒層に円滑に供給できる機能を有することが第一である。この他に、ＧＤＬの基本的な機能として、１）電気エネルギーを効率的に取り出すために十分に低い電気抵抗をすること、２）大電流を取り出すための十分なガス透過性および電池で生成する生成水の排出性からなる良好な拡散性を有すること、３）積層部材の厚みムラを吸収できるクッション性（弾力性）を有すること、４）強酸性や強アルカリ性にも耐える耐腐食性を有すること、などが必要となる。

そのため、現在市場で安定的に提供されているＧＤＬはアクリル繊維を２２０〜２６０℃程度で熱処理を行う「耐炎化」の前処理工程、そして９００〜２８００℃の高温において不活性ガス雰囲気で行なう「炭化」および「黒鉛化」で炭素繊維を得た後、さらに所望の長さに切り揃えた後、抄紙工程で紙状とし、熱硬化性樹脂で節止めし、さらに導電性をあげるために炭化熱処理を行う等、複数回の熱処理の為、多くのエネルギーが必要であり、複雑でコストの掛かるプロセスを経ている。

また、そのようなＧＤＬは紙構造であるため、上記のガス透過性が不十分であり、厚みムラを吸収するクッション性も低く、何よりもエネルギーを消費する工程が多いので、製造コストがかかるという問題があった。したがって、燃料電池システムを普及させるには低い電気抵抗、十分なガス拡散性、適度なクッション性、十分な耐腐食性をもち、省エネ工程かつ低コストであることが決定的に重要であった。

そこで、特許文献１においては、短い炭素繊維を抄紙して紙状にしたのち、熱硬化性樹脂を含浸させ樹脂含浸紙を得て、加熱プレス成形して樹脂硬化シートを得て、それを不活性雰囲気下の焼成炉内に走行させて、その樹脂硬化シートを焼成することにより多孔質炭素電極を得るとしている。

また、特許文献２においてはアクリルの長繊維を織物とし、その後耐炎化、炭化、黒鉛化して高強度一般部品用の自由曲面を得やすい１０００デニール以上の太い炭素繊維織物を製造する技術が開示されている。

さらに、特許文献３においては、アクリルの紡績糸を耐炎化繊維としたのち織物とし、プレスして、炭化もしくは黒鉛化することでその織物の繊維の断面形状は、面方向が長径、厚さ方向が短径として、長径／短径の比が２以上の楕円形で近似することができると説明されている。

特開２０１１−０６５９２６号公報特開昭５６−１０１９１７号公報特開２００４−１００１０２号公報

しかし、特許文献１の開示されている紙状の炭素繊維は、必要以上に高強度となる炭素繊維の製造に多大のエネルギーを使っており、ＦＣ自動車を普及させるための目標価格に届いていない。また、炭素繊維が紙構造であるためガス拡散性が不十分であり、車両用途として大電流が取り出せず、またクッション性も不十分であるという問題があった。

また、特許文献２に開示されている炭素繊維織物は、織物であるＦＣ用途のＧＤＬではなく、扁平とすることや電気抵抗に関しては説明されておらず、薄くて良好な電気抵抗となる燃料電池用のＧＤＬに適さないという問題があった。

さらに、特許文献３に開示されている織物はＣＣＭやセパレータとの接触抵抗を下げるには不十分であり、それらとの接触面積を増やす必要があるという問題があった。また、繊維として耐炎化工程を経るため、織物を直接耐炎化するよりエネルギーコストや設備コストが高くなるという問題もあった。

そこで、本発明においては燃料電池内に積層した場合の厚みを小さくし、接触時の電気抵抗を下げることのできる燃料電池用炭素繊維織物およびその製造方法を提供することを課題とする。同時に、燃料電池内にて優れたガス拡散性を有し、大電流を発電できる燃料電池用炭素繊維織物およびその製造方法を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明者は多数の単繊維からなる経糸および緯糸から形成される燃料電池用炭素繊維織物であって、経糸の集合体である経糸群または緯糸の集合体である緯糸群の少なくとも一方が、実質的に無撚である燃料電池用炭素繊維織物とした（請求項１）。また、多数の単繊維からなる経糸および緯糸から形成される燃料電池用炭素繊維織物であって、経糸の集合体である経糸群または緯糸の集合体である緯糸群の少なくとも一方の断面視において、経糸群または緯糸群の断面の輪郭の一部に直線部を有する燃料電池用炭素繊維織物とすることもできる（請求項２）。

また、燃料電池用炭素繊維織物の製造方法としては、前述した燃料電池用炭素繊維織物の素材に、レゾール型の熱硬化性樹脂中へカーボンブラックまたは／および黒鉛を分散させた分散液を塗布した後、その分散液を加熱硬化することで、前述の素材の重量に対して、その分散液を塗布し加熱硬化させた増加重量が５〜５０％の範囲となるように燃料電池用炭素繊維織物を製造する方法とする（請求項３）。

本発明においては、織物を構成いている糸束が実質的に無撚であるため、その繊維断面を扁平に薄く変形させることができ、燃料電池の積層方向の寸法を短くできる。さらに、挟まれている部材との接触面積を増やせるように、糸束断面の輪郭線が直線部を持ちながら扁平になるため、接触電気抵抗を低下させることができ、高効率な燃料電池となる。また、撚繊維に比べて単繊維間に細かい隙間を確保することができ、優れたガス拡散性が得られ、大電流の発電にも適するという効果を奏する。

焼失繊維に紡績糸が解撚されて巻き付いている炭化前の原料糸の拡大図である。下撚りと同数の上撚りを与えた紡績双糸の原料糸の説明用拡大図である。別の実施例で炭化硬化後の断面拡大図である。比較例で実使用の押圧を掛けても撚糸の断面が扁平に変形しない断面拡大図である。実施例で押圧をほとんど掛けないときの断面拡大図である。実施例で３０Ｎ／ｃｍ^２の押圧を掛けたときの断面拡大図である。実施例で６０Ｎ／ｃｍ^２の押圧を掛けたときの断面拡大図である。実施例の実質無撚糸からなる炭素繊維織物の平面拡大図である。比較例で撚糸による炭化繊維織物の平面拡大図である。本発明の燃料電池用炭素繊維織物を製造する際に用いる均一荷重式製造装置の模式断面図である。本発明の燃料電池用炭素繊維織物を製造する際に用いる一定張力式製造装置の模式断面図である。本発明品と市販のカーボンペーパを用いた発電テストの試験結果である。

本発明の実施の形態の一例について図面を用いて製造工程と合わせて説明する。本発明の燃料電池用炭素繊維織物は、大きく分けて（１）製糸工程、（２）製織工程、（３）炭化工程、（４）硬化処理工程の順序で製造される。以下、上記（１）〜（４）の各工程を詳細に説明する。

（１）製糸工程
まず、出発原料として使用する繊維としては、天然セルロース（綿、竹繊維など）再生セルロース（レーヨン、アセテート）ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、ポリノジック系、フェノール樹脂系、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、あるいはこれらの混合物からなる繊維が使用できる。また、これらのうち耐炎化処理した繊維を出発原料としても良い。

ここで、焼成により残重量率が３０％以下になるが市場性に優れる木綿や、耐炎化工程を必要とするが、強度的にも安定しているポリアクリロニトリルを主成分する繊維は、出発原料として望ましい。さらに、燃料電池用のＧＤＬは積み重ねて使用し引っ張り強度より圧縮強度や曲げ強度のほうが重要であり、構造物強度材として使用するような炭素繊維強度を必要以上に求めなく良いため、アクリル繊維を織物にしたのち、耐炎化工程と炭化工程および硬化処理を行えば、耐炎化繊維を織物にするより、トータルのエネルギーコストを低減できるという特徴がある。

次に、製糸方法としては織物の素材に紡績糸を使用する場合、その下撚数Ａ、撚方向Ｚの紡績糸Ｂと製織後に消失させる繊維Ｃを合糸させることができる。その時の上撚数もＡとほぼ同じで撚方向Ｓ（下撚りを戻す方向）とすればよい。（図１無撚糸の原料）によると、中央のまっすぐな繊維が織物後消失させる繊維Ｃでこれに巻き付いているのが、引張強度に寄与しない撚角であり、実質的に無撚になった紡績糸Ｂである。

ここで、消失繊維は製織工程の安定化に寄与し、その後は水や有機溶剤で容易に消失でき低コストであればよい。形状としてはフィラメントでも紡績糸でもよく、原料としては経糸の強度を確保するために使用する糊剤と同様な繊維が望ましく、ＰＶＡ繊維やでんぷんを繊維とし製織後洗い落せばよい。ほかに、アルカリで溶けるＳＳＴポリマー繊維（５ナトリウムスルフォイソフタル酸ジメチル）でもよい。また、温水で溶解可能な澱粉糊で固着した紡績糸を撚り戻して製織してもよい。更に、ドラフト後の紡績スライバーを消失繊維で包み込むように巻きつけた複合糸でもよい。すなわち、製織後にこれらの溶解除去可能なものであれば限定されない。溶解残液の環境負荷、コストの面、安定した技術などの点からＰＶＡ繊維が好ましい。

また、織物の素材に双糸を使用する場合でもその条件を適切に選択すれば扁平にさせやすい繊維になる。上撚数は繊維長１ｍ当たりで、３００回／ｍ〜１０００回／ｍ、好ましくは８００回／ｍ以下である。下撚数が小さいと毛羽数が大きくなりやすく、下撚数が大きいと、加撚時に糸切れ発生確率が増加し太さむらが増加する場合もある。ここで単位長さあたりの毛羽数が多くなる場合は毛羽焼き工程を入れることが望ましい。この下撚数に対し上撚数をほぼ同数にして逆方向に撚りを入れて合糸すれば、（図２双糸）のように、各単糸の撚が巻き戻され、両単糸の糸束どうしが相互に巻きつく形態になり、実質的に無撚とは言えないが、各単糸は相互に巻き付き、ピッチの長手方向の範囲では概略平行に並び、織物にしたのちの圧縮工程で厚み方向に扁平に押しつぶされ、その糸束断面の輪郭線に直線部を得やすくなる。（図３扁平な断面）

一方、引張強度を持つような撚のある単糸からなる織物は単糸群が扁平に変形できず、（図４撚糸断面）に示すように、薄くならず接触面積も少なく電気抵抗は高止まりする。なお図１において、相互に巻き付いている撚ピッチより織ピッチのほうが短いほうが望ましいことは言うまでもない。

さらに、長繊維の場合では交絡数の少ない糸からなる織物であれば、言うまでもなく、実質的に無撚であり扁平に変形しやすい炭素繊維織物となる。ただし先にあげたアクリルの長繊維は望ましい出発原料ではあるが、２５０ｄｔｅｘまでの長繊維は用途が限られるため市場性は低い。また長繊維は交絡数が少ないと、単糸切れが多発するなど、価格的な課題が残る。この点が、長繊維より市場性の高い紡績糸が望ましい理由である。

なお、使用する素材の形状としては、長繊維なら２５０ｄｔｅｘまでのマルチフィラメントが望ましい。また、紡績糸なら紡績糸は双糸、単繊維のいずれであってもよいが、一般に双糸の方が単繊維より、繊維の引張強度が大きくなる。

また、紡績糸の太さについては単糸の場合の太さは、メートル番手表示で、太いほうは１／２０Ｎｍ以下、好ましくは１／３０Ｎｍ以下の太さであり、細いほうは通常１／１００Ｎｍ以上、好ましくは１／６４Ｎｍ以上である。また双糸の場合はメートル番手表示で、太いほうは通常２／２６Ｎｍ以下、好ましくは２／３４Ｎｍ以下の太さであり、細いほうは通常２／１２０Ｎｍ以上、好ましくは２／１００Ｎｍ以上の太さである。

さらに、紡績糸の撚数については、ＪＩＳＬ１０９５（一般紡績糸試験方法）に準拠する。単糸の場合の撚数は、繊維長１ｍ当たりで、通常は３００回／ｍ〜１０００回／ｍ、であるが、糸束断面を扁平にするには、すくなければ少ないほど望ましい。ここで、織物工程で糸切れが多発するような甘撚紡績糸、さらに糸にならないほど少ない撚数の紡績糸、もしくは撚のほとんどない長繊維を、実質的に無撚糸と定義し、この繊維からなる織物を得た後の工程で圧縮することにより、多数の単繊維からなる糸束断面を扁平に変形させることができる。

（２）製織工程
この工程では燃料電池用として、その目的に応じて選択できる。織り方は平織、綾織でもよいが、織物面はＣＣＭ面に対しては平滑であることが望ましく、３，４、５本朱子織とし、前記した実質無撚もしくはそれに近い合糸した糸束が表となり、各単繊維が接触面積を増やすように広がり、ＣＣＭ面に当てることが望ましい（図８参照）。ただし、８本朱子織は飛び部分が長く不安定になるため、避けるべきである。

次に、織物の密度は糸の太さと、打ち込み本数からなる経糸と緯糸のカバーファクターの合計となる織物カバーファクターＫｃは下記どおりと定義する。
Ｋｔ＝経糸カバーファクター＝ｎｔｘ√１００００／Ｎｔ
Ｋｙ＝緯糸カバーファクター＝ｎｙｘ√１００００／Ｎｙ
ｎｔ＝インチあたりの経糸密度、ｎｙ＝インチあたりの緯糸密度
Ｎｔ＝経糸のメートル番手、Ｎｙ＝緯糸のメートル番手

織物組織により異なるが、例えば５枚朱子の場合には、Ｋｃ＝７００〜２５００、好ましくは１０００〜２５００の範囲である。平織はＫｃの範囲が小さくなり、朱子織ではＫｃの範囲が大きくなる。綾織はその中間の範囲である。双糸の時も紡績糸の番手、縦横織物密度の関係は同様である。長繊維は紡績糸よりも見かけ太さが小さいのでＫｃの範囲はやや高めに設定することになる。長繊維の時はフラットヤーンでもよいが嵩高加工を施してもよい。経糸と緯糸のカバーファクターは揃うにこしたことはなく、先に述べ織物後消失する繊維の重量は除くものとする。

（３）炭化工程
市販されている炭素繊維の９５％以上はアクリル繊維を耐炎化、炭化、黒鉛化しているが、良好な電気特性と耐食性を必要とする燃料電池向けとしては、剛性を上げるための黒鉛化も必須ではなく、むしろ市販性が高く低価格なセルロース繊維やアクリル繊維が望ましい。それ以外でも出発原料の項で述べた材料でもよく、これらを不活性ガス中で８００℃〜１２００℃で炭化すればよい。またレーヨンのようなセルロース繊維織物が１９５８年に製造されており、この方法を踏襲すればよく、さらに耐炎化繊維と綿を交織織物する方法でもよい。アクリル繊維の場合は、これを織物とし、酸化雰囲気で収縮を許しながら、２３５℃〜２６０℃、２時間〜５時間程度の耐炎化処理を行ったのち、不活性ガス中で８００℃〜１２００℃で炭化すればよい。もちろんアクリル繊維などを先に耐炎化した繊維を織物としたのち炭化しても良い。

織物工程や前述の耐炎化工程で得られた燃料電池用炭素繊維織物を炭化処理する工程の詳細を図１０を用いて説明する。焼成(炭素化)装置１００は、上部開口１１ａを有する焼成箱１１の底板１１ｂの上に平滑で望ましくは０．１ｍｍ以下の平面度である平板１６を敷き、その上に鉄などの金属が介在しないようにして前述の燃料電池用炭素繊維織物（以下、織物という）２０が皺（しわ）にならず、はみ出さないように置く。その上に同様のセラミック板と織物２０を順次繰り返し積み上げて、最上段に均一荷重が掛かるように、おもり１７を載せる。この焼成箱１１は上部開口１１ａを有する焼成加熱炉１の本体２に格納されている。焼成加熱炉１の上部開口１１ａは蓋３で閉じられ、グラファイトシートのシール４を介して蓋３をボルト５ａ・ナット５ｂで挟持螺着され密閉されている。

次に、焼成加熱炉１の本体２にはガス供給配管６が接続され、図示しないガス源から不活性ガスが供給可能にされている。また、本体２にはガス排出口７が接続されており、パイプ８を通って排ガストラップ３１に接続されている。排ガストラップ３１の本体３２には、水３４が入れられ、パイプ８の先端８ａは水３４内に水没されている。排ガストラップ３１の本体３２は排ガストラップ排出口３５を有する蓋３３により密閉されている。排ガストラップ排出口３５はパイプ３６を介して浄化装置３７等に接続され、無害とされた排ガスを外部へ排出するようにされている。排ガストラップ３１では水の液面を視認又は成分を検出できるようにしておくことや、焼成加熱炉内の温度・圧力の確認や、分解発生するガスを分析する弁を設けておくと良い。また、排ガス燃焼装置を設けておくとなお良い。このような装置構成を用いた炭化処理は、不活性ガスを焼成箱１１内に投入するとともに、焼成箱１１内で分解・発生するガスを排出しながら、炭化が可能な温度８００〜１２００℃に加熱し、１０分〜１時間保持後、冷却することにより行う。

なお、不活性ガスの投入量は１ｋＰａの圧力で３分間あたり焼成加熱炉１内のガス体積となるようにするのが好ましく、酸素濃度は１５０℃以上では５ｐｐｍ以下が望ましい。また、平板１６による織物２０に加える荷重は０．１〜５Ｎ／ｃｍ^２であり、より好ましくは０．４〜２Ｎ／ｃｍ^２である。また、平板１６の平面度（平滑度）はＡ４版サイズあたり、０．１ｍｍ以内が好ましく、傷がなく冷間圧延板程度の面精度でよい。ここで、織物２０の仕上がり厚みより１０〜５０％薄いシムを織物２０の周りに挟むと厚みムラは少なく、熱収縮による織物割れの問題も少なくなる。また、織物２０は炭化時に収縮変形するが、このとき糸束断面において単繊維からなる輪郭線が直線部を持つように押しつぶされるとともに、単繊維が繊維長手方向に並ぶように熱固定されることが重要である。

次に、織物工程や前述の耐炎化工程で得られた織物に一定張力を掛けて、炭化する工程の一例を図１１に示す。この時の装置と焼成方法は、焼成箱２１までは図１０に示す一定加圧の炭化法と同じであり、その中身（内容物）を入れ替えればよい。まず、長尺の炭化すべき織物２０を上下に配置した複数の上丸棒２４および下丸棒２６に折り返し吊り下げることにより織物２０に対して一定張力を得るようにしたものである。

上部開口２１ａを有する焼成箱２１の長手方向の両上辺には、Ｕ字又はＶ字等の溝２５が等間隔で設けられている。溝２５には上丸棒２４が載置されている。また、長手方向両上辺端にはクリップ２２、２３が設けられている。さらに、焼成箱２１の長手方向の両側面下方には、上下方向を長軸とする長穴２７が等間隔に設けられている。下丸棒２６の両端は長穴２７に挿通されている。溝２５と長穴２７とは半ピッチずれて設けられている。

長尺の織物２０の一方をクリップ２２で保持し、織物２０の他方を下丸棒２６、上丸棒２４の順に順次折り返しながら通過させ、他端のクリップ２３で固定する。固定にあたっては焼成前後を通じて、下丸棒２６は長穴２７の上端又は下端に触れないようにされる。これにより、織物２０が焼成加熱炉１内で昇温時に延びたり焼成時に収縮したりしても、下丸棒２６の荷重で織物２０に一定の張力を与えることができる。さらに、織物２０の繊維方向に掛かる張力は下丸棒２６の両端に重りを加えることで調整できる。また、下丸棒２６は上下には移動可能とするが、左右方向には揺れないように規制する。また、下丸棒２６の両端は直角に曲げてあり、焼成箱２１の長穴２７から外れないようにしてある。

ここで、投入する織物２０の長さを調整して長穴２７の上限で下丸棒２６がそれ以上持ち上がらないようにして、収縮長さを規制し、しわを少なくしても良い。なお、張力は、織物２０の繊維の番手と総本数をデニール換算し、５×１０-6〜２００×１０-6ｃＮ／デニールの張力とするのがよく、２×１０^−６〜３００×１０^−６ｃＮ／デニールの張力とするのが好ましい。もちろん上丸棒２４の代わりに、適当な間隔でピン付き織物挟みを使って位置決めしても良い。下丸棒２６や上丸棒２４は傷のない平滑面を持つセラミック製や耐熱チタン合金製の棒もしくは薄肉パイプが望ましい。

さらに、下丸棒２６、上丸棒２４にピンを等間隔に植え込み、想定収縮代を余らせて織物２０をこのピンに差し込み、焼成すれば、縦方向の収縮幅もほぼそろえることができる。量産するときは不活性雰囲気を確保できる連続炭化炉に図１０に示す焼成箱１１や図１１に示す焼成箱２１を連続的に投入し、加熱冷却すると良い。また、連続炭化炉に引っ掛かりのない表面を持つ耐熱メッシュベルトにのせて加熱搬送し、経糸方向および緯糸方向の収縮を許しながら、しわの出ないようにして焼成し、取り出せばよい。

（４）硬化処理工程
凹状溝があるセパレータでＧＤＬ（燃料電池用炭素繊維織物）をＣＣＭに押し当てるため、溝部でもＣＣＭにＧＤＬから適切な接触圧力が加わるように、燃料電池用炭素繊維織物に硬化処理が必要となる。すなわち、前記工程で得た燃料電池用炭素繊維織物にレゾール型の熱硬化樹脂を分散させた液に含浸させ、乾燥させた後、不活性ガス雰囲気内で、平滑板で圧縮し、加熱・冷却することにより、糸束断面が扁平に変形するように硬化させる。この際、炭化処理時と同じ要領で加圧し、不活性ガス中で樹脂が低抵抗になる３００℃〜８００℃の温度範囲で焼成する。

また、レゾール型熱硬化樹脂としては水フェノールが好ましい。カーボンブラックやグラファイトを均一に分散させた液体（インキ）を燃料電池用炭素繊維織物の表面に塗布すれば、前述の半分程度に焼成温度を下げても、適正な電気抵抗を確保できる。塗布法としては、グラビア印刷方式やドクターブレード法でもよく、また均一口金幅のダイによる直接塗布法でもよい。いずれの方法でも、燃料電池用炭素繊維織物の重量に対して、分散液を塗布し、加熱硬化させた増加重量が５〜５０％の範囲が望ましい。

これまでの工程をまとめると、実質的に無撚であるため糸束が扁平断面になりやすく、硬化処理を必要としない用途には一定加圧の炭化時に扁平化すればよく、硬化処理を必要とする用途には、一定張力で炭化した炭素繊維織物をバインダーで硬化処理すればよい。

実施例として扁平化した炭素繊維織物の特性比較を行った。細番手のアクリル紡績糸と消失させる繊維からなり、カバーファクターＫｃが１９４０の朱子織織物を得る。これに耐炎化工程と一定加圧による炭化工程で扁平化した炭素繊維織物とする。この織物の１ｃｍ角の試験片をブロックゲージではさみ、その押圧を変えて、その織物の断面拡大写真をとり、変形した糸束断面の輪郭線長さに対する直線部の長さの直線部比率を求めた。ここで直線部比率とは、図３に示す白点線の部分のように、断面の輪郭線をプロットし、織物の１ピッチ分に含まれる、各断面の全周長（Ｌｉ）と底辺部の直線長さ（Ｓｉ）を測定し、各々を合計し、その比ΣＳｉ/ΣＬｉで表す。ここで実使用時の押圧は６Ｎ／ｃｍ^２以上である。

また、厚みと電気抵抗の測定法は下記の通りとした。すなわち、
厚み測定法：ミツトヨ製垂直軸ダイアルゲージに１ｃｍ直径の押板をねじ込み、１ｃｍ角に切り出した試験片に垂直に荷重をかけ、その押圧による厚み変化を読み取った。
電気抵抗測定法：１ｃｍ角の銀板電極間に試験片をはさみ、押圧を変えて厚み方向の電気抵抗の値をミリオームテスターで読み取った。なお、比較例としては同じ細番手の紡績糸で、ほぼ同じカバーファクターの綾織物とし、前記と同じ工程で炭化した炭素繊維織物である。上記実施例と比較例の測定結果とその断面拡大写真を表１に示す。

表１より比較例は撚りのある繊維のため楕円断面のままで、６０Ｎ／ｃｍ^２の押圧を加えても、扁平構造にならないが、実施例の扁平度中、扁平度大は、明らかに比較例より薄く、電気抵抗が低くなる。よって発電性能も改善される。

また、このことを視覚的にわかりやすくするため、実施例の炭素繊維織物の平面拡大図８と比較例の平面拡大図９を示す。これによると、図８に示す本発明の燃料電池用炭素繊維織物は、図９に示す比較例の場合より軸方向に平行に並ぶ繊維が多くＣＣＭへの接触面積が多くなり、かつガス透過性がよくなる細かい隙間が確保できていることがわかる。よって６０Ｎ／ｃｍ^２の押圧で直線部比率が２０％以上で５０％未満が望ましい。

実施例の燃料電池用炭素繊維織物にバインダーによる硬化処理を行い、エフシー開発(株)のＪＡＲＩ標準セルで発電テストを行い、市販されているＳＧＬ社カーボンペーパ２５ＢＣと性能比較した結果を図１２に示す。なお、ナフィオン２０μ膜に白金触媒を塗布し、熱プレスしたＣＣＭを使用し、ＧＤＬの違い以外は同じ条件とした。これによると扁平断面をもつ燃料電池用炭素繊維織物（本発明品）は、市販のカーボンペーパ（比較例）に比較して、大電流領域での発電性能が改善されており、０．４１Ｖの時点で本発明品は従来品に対して３８％多く電流を取り出すことができた。

以上の結果より、実質的に無撚である繊維からなり、その糸束断面の輪郭線が直線部をもつ炭素繊維織物は燃料電池の発電性能を大幅に向上させることができる。なお、本願における「繊維」、「織物」、「フィラメント」などの各用語は、ＪＩＳＬ０２０４〜Ｌ０２０６に定義されている用語と同義とする。

２０燃料電池用炭素繊維織物

Claims

多数の単繊維からなる経糸および緯糸から形成される燃料電池用炭素繊維織物であって、前記経糸の集合体である経糸群または前記緯糸の集合体である緯糸群の少なくとも一方が、実質的に無撚であることを特徴とする燃料電池用炭素繊維織物。
多数の単繊維からなる経糸および緯糸から形成される燃料電池用炭素繊維織物であって、前記経糸の集合体である経糸群または前記緯糸の集合体である緯糸群の少なくとも一方の断面視において、前記経糸群または前記緯糸群の断面の輪郭の一部に直線部を有することを特徴とする燃料電池用炭素繊維織物。
請求項１または２に記載の燃料電池用炭素繊維織物の素材に、レゾール型の熱硬化性樹脂中へカーボンブラックまたは／および黒鉛を分散させた分散液を塗布した後、前記分散液を加熱硬化する燃料電池用炭素繊維織物の製造方法であって、前記素材の重量に対して、前記分散液を塗布し加熱硬化させた増加重量が５％〜５０％の範囲であることを特徴とする燃料電池用炭素繊維織物の製造方法。