JP4282964B2 - Carbon fiber woven fabric - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素質繊維織布に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃料電池の開発に多大な努力が注がれている。
燃料電池は、用いる電解質の種類により、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などに分類されるが、これらの中でも、低温で運転することができ、扱いやすく、かつ出力密度も高い固体高分子型燃料電池が、電気自動車用或いは家庭用電源などの用途に注目されている。固体高分子型燃料電池は、発電の際に発生する熱を暖房、給湯などに利用することで、総合的に熱効率を向上させるコージェネレーションシステムへの展開が検討されている。
【0003】
固体高分子型燃料電池用の単セルの主要構成部材は、通常、膜電極体と溝付セパレータである。膜電極体の基本構造は、高分子固体電解質膜(イオン交換膜)の両面に、触媒層、ガス拡散層及び集電体を順次接合したものである。触媒層は主に触媒とカーボンブラックとの混合物からなっている。また、ガス拡散層に集電体の機能を兼ねさせることもある。この膜電極体の両面に溝付セパレータを接合することで、固体高分子型燃料電池の単セルが形成される。
【0004】
固体高分子型燃料電池は、溝付セパレータの溝を経てアノード側触媒層に燃料(水素ガス)、カソード側触媒層に酸化剤(酸素含有ガス)をそれぞれ供給して電池反応を生起させ、このとき膜電極体を介して発生する電子の流れを電気エネルギーとして外部に取り出す仕組みになっている。従って、ガス拡散層材料としては、次のようなことが望まれる。
▲1▼ この仕組みを効率よく作動させるために、膜電極接合体に燃料と酸化剤を円滑かつ均等に供給すること、
▲2▼ 電気エネルギーの取り出し効率を出来るだけ低下させないために、十分な導電性を有する(即ち体積固有抵抗が低い)こと、
▲3▼ 膜電極体の中央の固体電解質膜がプロトン伝導性を発現できるように、適度の水分を保持していること(保水性)、
▲4▼ 電池反応に伴って生成する水を円滑に排出することができること(排水性)。
【0005】
しかしながら、保水性と排水性とは相反するものであり、両者を同時に満足させることは一般的には困難である。
ガス拡散層(これは集電体を兼ねることもある)の材料としては、主にカーボンペーパーが用いられているが、炭素質繊維を製織してなる炭素質繊維織布を用いることが最近検討されてきている。
【0006】
炭素質繊維織布は、カーボンペーパーに比べて、通気性が大きく、燃料を円滑、均等に膜電極接合体に供給しやすく、体積固有抵抗を低くしやすいこと、材料や製織方法によっては、厚み方向に弾性を持たせることができて機械的脆さがなく、保水性や排水性もコントロールしやすいことから、カーボンペーパーにない利点がある。
【0007】
しかしながら、炭素質繊維織布では織布の縦糸と横糸とが交差するため、カーボンペーパーと比べて微少な厚さムラが発生しやすい。したがって、セパレータとガス拡散層材料としてのカーボンクロスとの接触状態には微少レベルで差異が発生することにより、その部分での電気抵抗が安定せず、結果として織布全体の電気抵抗も不安定となり易いという問題がある。
【0008】
炭素質繊維織布のこのような問題を解決する方法もいくつか提案されている。例えば特開昭58−165254号公報には、フッ素樹脂とカーボンブラックとの混合物を炭素質繊維織布の空隙部に充填することが記載されている(特許文献1参照)。また特開平10−261421号公報には、フッ素樹脂とカーボンブラックとから成る層を炭素質繊維織布の表面に形成することが記載されている(特許文献2参照)。これらの方法は、フッ素樹脂/カーボンブラックの混合相をクロス表面に形成することにより厚さムラを低減する効果が期待される。
【0009】
しかしながら、これらの方法は、炭素質繊維織布にフッ素樹脂、カーボンブラック等を充填することにより、ガス拡散層の保水性、排水性、ガス透過性等を調整しようとするものであるため、電気抵抗が増大して電池特性が低下したり、炭素質繊維織布の利点であるガス透過性を低下させる欠点を伴っている。
また、炭素質繊維織布はしなやかなので、これをガス拡散層に用いた膜電極体を溝付きセパレーターと組合せて燃料電池を形成しようとすると、炭素質繊維織布が溝付きセパレーターの溝に入り込み、溝内のガスの流通を阻害するという問題がある。さらに、炭素質繊維織布においては繊維相互の接触点は固定されていないので、この部分における電気抵抗が安定せず、結果として織布全体の電気抵抗も不安定となり易いという問題がある。
【0010】
【特許文献1】
特開昭58−165254号公報
【特許文献2】
特開平10−261421号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、ガス透過性、導電性(低抵抗)、保水性、排水性等のガス拡散層材料として望まれる性質がバランスしており、また均一で、厚さムラが小さいために、セパレータとガス拡散層との間の微少レベルでの接触抵抗の差異が減少し、結果として出力特性等の電池特性を安定させることができる炭素質繊維織布を提供することであり、さらに、炭素質繊維織布の剛性が高いために、セパレータの溝への垂れ込みが殆ど起こらず、その結果、燃料電池内のガス拡散性が均一となり安定した発電特性を発現させることが可能なガス拡散増材料として好適な炭素質繊維織布を提供することであり、特に固体高分子型燃料電池用ガス拡散層材料として好適な炭素質繊維織布を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、製織、プレス加工、炭素化/黒鉛化及び剛性付与処理を、特定の順序で組み合わせることにより、剛性があり、厚さムラが少ない炭素質繊維織布が得られることを見出し、それに基づいて本発明を完成した。
【0013】
即ち本発明の要旨は、主として炭素質繊維の糸で構成された織布であって、目付量が50〜200g/m2、厚さが0.05〜2mm、嵩密度が0.2〜0.6g/cc、面方向の体積固有抵抗が0.2Ωcm以下であり、該織布をその縦糸方向及び横糸方向を辺とする正方形に切りだしたとき、その対角線2本をそれぞれ11等分した合計20個の分割点における織布の厚さの変動係数が3.2%以下であり、織布を構成する縦糸及び横糸はその断面の長径が短径の2倍以上であり、かつ、45゜カンチレバー法に準拠した剛軟性指数値(L)が6cm以上であることを特徴とする炭素質繊維織布、に存する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の炭素質繊維織布は、主として炭素質繊維糸で構成された織布であって、目付量、厚さ及びその変動係数、嵩密度、及び面方向体積固有抵抗が特定の範囲にあり、織布を構成する縦糸及び横糸の断面が特定の形状を有しており、かつ、45゜カンチレバー法に準拠した剛軟性指数値が特定の範囲にあることを特徴としている。
【0015】
本発明の炭素質繊維織布の製造方法は、特定の物性を満たすものが得られる限りにおいて特に限定されないが、例えば、炭素質前駆体繊維を製織して得た織布をプレス加工したのち、炭素化、さらには黒鉛化する際に、繊維を相互に融着させることにより製造することが出来る。また、一般により好ましくは、炭素質前駆体繊維を製織し、得られた織布をプレス加工し、炭素化処理し、所望によりさらに黒鉛化したのち、剛性付与処理をすること、具体的には樹脂などのバインダーを添着すること、さらには添着したバインダー成分を炭素化処理して炭素化物とすること、により製造することができる。
【0016】
以下、この製造方法について詳細に説明する。
(炭素質前駆体繊維)
出発材料の炭素質前駆体繊維としては、ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、セルロース系、ポリノジック系、フェノール樹脂系、あるいは、これらの混合物など、公知の任意の炭素質前駆体繊維を用いることができる。通常はピッチ系又はポリアクリロニトリル系を用いる。なかでもポリアクリロニトリル系の炭素質前駆体繊維を用いるのが好ましい。ポリアクリロニトリル系の炭素質前駆体繊維には、アクリロニトリル単位の含有比率により、アクリロニトリルほぼ100%のポリアクリロニトリルを原料とするもの、アクリロニトリルが50%以上のアクリロニトリルを主体とするアクリロニトリル系共重合体を原料とするもの、更にはアクリロニトリルが20〜50%のアクリロニトリルを含むアクリロニトリル系共重合体を原料とするものなど各種のものがあるが、これらのいずれを原料とする炭素質前駆体繊維も用いることができる。
【0017】
(耐炎化処理)
上記炭素質前駆体繊維は、製織して織布とするのに先だって、耐炎化処理をしておくことができる。
耐炎化処理(不融化処理)はピッチやポリアクリロニトリルの分子構造中に酸素原子が導入される化学反応であり、通常は200〜300℃、高くても400℃未満の温度で、酸素と数十分間接触させることにより行われる。そして、一般に分子構造中への酸素の導入量が多いほど後続する炭素化処理に際しての融着防止効果が大きいとされている。その指標としては、一般にLOI値という繊維を燃焼させるのに必要な限界酸素濃度が用いられている。通常の炭素質繊維の製造の場合のように融着を起させないためには、LOI値が35〜60となるように耐炎化処理すべきものとされている。本発明の炭素質繊維織布の製造においても、炭素質前駆体のLOI値が35〜60となるように耐炎化処理するのが好ましい。
【0018】
即ち、織布を構成する炭素質繊維を融着させない場合には、LOI値が35〜60となるように耐炎化処理すればよい。逆に繊維を融着させて剛性を有する織布とすることにより、燃料電池の特性を改善したい場合などには、LOI値が35未満、特に33以下となるように耐炎化処理してもよい。なお、LOI値が小さすぎると後続する炭素化処理に際して融着が激しくなりすぎて、得られる炭素質繊維織布が脆くなるので、LOI値が20以上、特に25以上となるように耐炎化処理を行うのが好ましい。LOI値は、耐炎化処理時の酸素との接触温度や接触時間を変化させることにより調節できる。
【0019】
例えば好ましい方法の一つでは、ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で200〜300℃で耐炎化処理して得た耐炎化繊維を用いる。耐炎化処理に供するポリアクリロニトリル系繊維としては長繊維でも短繊維を紡績したもののいずれでもよく、また糸も単糸及び双糸のいずれでもよい。また耐炎化処理に際して繊維に延伸を施して、繊維の靭性を向上させることもできる。
【0020】
(炭素質前駆体繊維糸)
製織に用いるための糸は、フィラメント糸、紡績糸のいずれでもよいが、緻密かつ均一な織布組織が得られ、かつ糸の生産性が高い等の理由から紡績糸が好適である。紡績糸(spun yarn)を得るための紡績方法としては公知のいずれの手法も適用でき、例えば綿紡績、2インチ紡績、梳毛紡績、紡毛紡績、直紡績等の紡績方法が挙げられる。ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維の場合、ポリアクリロニトリルの連続フィラメントトウを牽切して得たスライバーを梳毛紡績で紡績して得られる紡績糸を用いることが好ましい。
【0021】
(糸の種類)
上記製織に用いるための糸は、単糸、双糸、3本撚糸、フィラメント糸、更には原料の異なる炭素質前駆体繊維から成る複合糸のいずれでもよい。
紡績糸は双糸、単糸のいずれであってもよいが、一般に双糸の方が、、単糸より、糸の引張強度が大きくなるため、均一な厚さの織布を作製することができるので好ましい。
【0022】
(糸の繊度(番手))
糸の繊度は、メートル番手で、通常14番手以上、好ましくは16番手以上、より好ましくは18番手以上であり、また、通常50番手以下、好ましくは45番手以下である。
単糸の場合、メートル番手で、通常1/14Nm以上、好ましくは1/16Nm以上、より好ましくは1/18Nm以上であり、また、通常1/50Nm以下、好ましくは1/45Nm以下である。双糸の場合は、メートル番手で、通常2/28Nm以上、好ましくは2/32Nm以上、より好ましくは2/36Nm以上であり、また、通常2/100Nm以下、好ましくは2/90Nm以下である。
【0023】
1/14Nm又は2/28Nmより太番手の場合、単位長さあたりの毛羽数が多くなる傾向がある。また、1/50Nm又は2/100Nmより細番手の場合、糸の引張強度が低くなる傾向がある。
(糸の撚り数)
糸の撚り数は、JIS L 1095(一般紡績糸試験方法)により測定される。
【0024】
単糸の場合の撚り数は、糸長1m当たりで、通常300回/m以上、好ましくは500回/m以上であり、また、通常800回/m以下、好ましくは700回/m以下である。好適な撚り数は、糸番手により若干異なるが、300回未満の場合、糸の毛羽数が多くなりやすい。また、撚り数が大きすぎると、加撚時に糸切れが発生しやすくなる。撚り数を増やすと、毛羽数が低減するが、700回以上では撚数増による毛羽低減の効果はほぼ飽和する。
【0025】
双糸の場合、上撚り数は、糸長1m当たりで、通常300回/m以上、好ましくは400回/m以上であり、また、通常800回/m以下、好ましくは750回/m以下である。上撚り数が小さいと、毛羽数が大きくなりやすい。また、上撚り数が大きいと、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。また、下撚り数は、通常500回/m以上、好ましくは600回/m以上であり、また、通常900回/m以下、好ましくは850回/m以下である。下撚り数が小さいと、毛羽数が大きくなりやすい。また、下撚り数が大きいと、加撚時に糸切れ発生確率が増加しやすい。
【0026】
(製織)
上記のポリアクリロニトリル系耐炎化繊維等の、耐炎化処理した炭素質前駆体繊維を製織して耐炎化織布としてもよいし、ポリアクリロニトリル系繊維そのもの等の、耐炎化処理していない炭素質前駆体繊維を製織して織布とし、これに耐炎化処理を施して耐炎化織布としてもよい。この場合には、織布を空気、オゾン、酸化窒素などの酸化性ガスや、硫酸、硝酸などに接触させて、好適なLOI値を有する耐炎化織布とすればよい。
【0027】
(織り方)
織布の組織は、平織、斜文織、朱子織、その他任意の組織であってよいが、平織が、縦糸、横糸の単位面積あたりの交差数が最も多いので、織布の体積固有抵抗が小さくなるため好ましい。
(経緯密度)
平織の場合の経緯密度(単位長さ当たりの縦糸及び横糸の本数)は、一般的には1インチ当り20〜60本であるが、具体的には単糸、双糸の別や糸の太さに応じて適宜選択する。
【0028】
(炭素質前駆体繊維織布)
炭素質前駆体繊維織布の目付量、即ち単位面積当りの質量は、通常50g/m2以上、好ましくは60g/m2以上、より好ましくは80g/m2以上であり、また、通常350g/m2 以下、好ましくは250g/m2以下である。目付量が小さすぎると剛性や引張強度が小さくなり、目付量が大きすぎると、目が詰まりすぎてガス拡散性が低下する。
【0029】
織布の厚さは、通常0.05mm以上、好ましくは0.10mm以上、より好ましくは0.20mm以上であり、また、通常5mm以下、好ましくは3mm以下である。厚さが小さすぎると引張強度が低下し、また、大きすぎると、目が詰まり過ぎてガス透過性が低下する。
織布の嵩密度は、通常0.2g/cc以上、好ましくは0.25g/cc以上であり、また、通常0.8g/cc以下、好ましくは0.7g/cc以下である。嵩密度が小さすぎると引張強度が低下し、嵩密度が大きすぎると目が詰まり過ぎてガス透過性が低下する。
【0030】
織布の幅は、通常5cm以上、好ましくは10cm以上であり、また、通常250cm以下、好ましくは200cm以下、さらに好ましくは100cm以下である。幅が小さすぎると織布の幅方向の収縮が大きくなる場合があり、その結果、皺が発生し、厚さムラが生じる。また、幅が大きすぎると均一に炭素化処理及び黒鉛化処理をすることが困難となり、特に、炭素化処理時に不均一に収縮するため厚さムラが発生しやすい。
【0031】
織布の長さは、通常50cm以上、好ましくは100cm以上であり、また、通常300m以下、好ましくは200m以下である。長さが短すぎると長さ方向(長尺方向)の収縮が大きくなる場合があり、皺が発生し厚さムラが生じやすい。また、長さは、長いほうが、ガス拡散層材料に利用する場合(織布へカーボンブラックを主成分とするペーストを塗布することにより目止め加工処理を連続的に行う際)に、織布どうしの接続回数(織布の端と端をつなぐ回数)が減るために好ましいが、実際的には300m以上の長尺物の捲回物を、厚さムラの発生を防ぐために、巻取張力を制御して巻き始めから巻き終わりまで安定して捲回できるような巻き取り設備は実質的に存在しない。
【0032】
(プレス加工)
上記の炭素質前駆体繊維織布の厚さムラを低減するためにプレス加工を行う。通常、プレス加工としては炭素化(黒鉛化)後の織布をプレス加工すれば厚みむらを抑制することができると発想しがちであるが、繊維形状を保持しようと穏和なプレス条件でプレスすると厚みむらが大きくなる。一方、厚みむらをなくそうと強いプレス条件にすると繊維自体が本来の形状を維持できなくなる。
【0033】
従って、炭素化/黒鉛化処理が終了する以前(黒鉛化処理をするならその終了まで、炭素化処理だけならそれが終了するまで)に、プレス加工処理をしなければならない。つまり、織布を構成する繊維の熱履歴よりも高くかつ該繊維の炭素化処理に必要な温度以上の温度での熱処理を行うよりも前に、プレス加工処理を行うことによって、本発明の特定の物性を有する織布を得ることができる。
【0034】
(プレス器の種類)
プレス加工を行うためのプレス器としては、プレス面が平板の平板型プレス器、ロールでプレス加工を行うロール型プレス器等が挙げられ、いずれでもよいが、長尺の炭素質前駆体繊維織布を連続的にプレス加工できることから、ロール型プレス器が好ましい。また、プレス器の加圧方式としては、油圧式、空気圧式、スプリング圧式等が挙げられ、いずれでもよいが、一般に高圧のプレスが可能な油圧式が好ましい。
【0035】
(ロール型プレス器)
ロール型プレス器では、一般に、回転する金属製の上段ロールと下段ロールとの間に織布を挟みこんで連続的にプレス加工を行う。ロール型プレス器のロールの直径は通常10〜80cm程度であり、ロール径により異なるがロールと織布との接触部分の幅は2〜10mm程度である。またロールの有効長さは均一な圧力でプレス加工を行うために、50〜200cm程度が好ましい。油圧等により加圧してかかる総加重を有効ロール長で除して得られる、ロール単位長さ当たりの圧力は50〜500kg/cm、好ましくは100〜400kg/cmである。50kg/cm未満では厚さムラは低減するもののその低減量は小さい。一方、500kg/cmを越えるとプレス前の織布の厚さ、厚さムラ、糸の太さ、織布の経緯密度等により若干異なるが、織布の繊維が部分的に圧縮破壊されて織布の強度が著しく低下する場合がある。プレス用ロール間への織布の通過速度は、プレス圧力により異なるが、通常2〜20m/分程度が好ましい。この範囲以外では、均一なプレス加工がなされない場合もある。
【0036】
プレス加工処理の回数は、1回だけでなく、2〜10回程度繰り返してもよい。
(平板型プレス器)
平板型プレス器の場合、プレス加工時のプレス圧力は面圧で20〜2000kg/cm2が好ましい。20kg/cm2未満でも厚さムラは低減するものの、その低減量は少ない。また、2000kg/cm2を超えると、プレス前の織布の厚さ、厚さムラ、糸の太さ、織布の経緯密度等により若干異なるが、織布の繊維が部分的に圧縮破壊されて織布の強度が著しく低下する場合がある。
【0037】
所定の圧力で加圧する時間は通常10秒間〜10分間が好ましい。10秒間未満では厚さムラの低減効果は少ない。他方、10分間を超える長時間でプレス加工しても効果は小さい。
いずれの場合においても、プレス器でプレス加工する織布の枚数は通常1枚づつであるが、生産性を上げるために、2〜20枚程度を重ねてプレス加工してもよい。ただし、20枚以上では、プレス加工後の織布に厚さムラの低減効果が見られない場合がある。
【0038】
また、厚さムラの低減効果を高めるために、プレス加工前の織布に、ポリビニルアルコール、でんぷん糊等の糊剤、またはフェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を有機溶剤等で溶解させたもの、またはこれらの樹脂の微粉砕物を、添着させてもよい。
【0039】
また、プレス加工時に、プレス面の温度を室温より高い温度(例えば50〜500℃、好ましくは100〜300℃程度)に昇温してプレス加工してもよい。この場合、上述の樹脂を溶融・硬化させたり、織布に含まれる水分等が除去されることなどから、より均一なプレス加工ができる。
上記のようにプレス加工することにより、厚さムラが低減するだけでなく、燃料電池の電圧低下の要因の1つとなりうる、炭素質繊維織布の表面に存在する長さ数mm程度の毛羽の毛羽立ちが低減される効果も期待できる。
【0040】
(炭素化処理)
上記プレス加工に引き続いて炭素質前駆体繊維織布の炭素化処理を行う。
炭素化処理は、不活性ガス中で400℃以上、好ましくは600℃以上で、1400℃以下、好ましくは1300℃以下に加熱すればよい。織布の導電性の点からは700℃以上、さらには800℃以上に加熱するのが好ましく、900℃以上に加熱するのが更に好ましい。
【0041】
炭素化処理においては、300〜750℃程度の熱分解温度を経由して800〜1400℃で炭素化を行う。熱分解過程の昇温速度は5〜300℃/分、炭素化過程での温度保持時間は1分以上4時間以内が好ましい。また、熱処理炉の熱容量及び原料織布の炉内への搬送速度にもよるが、750℃以下の熱分解ゾーンを設けずに、最初から一定温度の炭素化ゾーンへ織布を投入し、織布が炭素化ゾーンから受ける熱により、なりゆきで織布の温度が上昇して熱分解が起こり、その後、炭素化が進行するようにしてもよい。また、炉内のガス雰囲気はいずれの場合でも酸素濃度100ppm以下の不活性雰囲気が好ましい。
【0042】
炭素化処理を行うための炭素化炉は、バッチ式熱処理炉または連続式熱処理炉のいずれでもよいが、長尺の織布を連続的にかつ均一に炭素化処理が行える利点から連続式炉が好ましい。
連続式熱処理炉とは、複数段の加熱手段を備えた横型連続加熱炉又は縦型連続加熱炉によるものであり、縦型より横型の方が、織布の自重による変形、不均一化が起こりにくいために好ましい。被処理物の炉内搬送は、金属製(スチール、ステンレス等)のメッシュまたはメッシュなしのベルト上に、通常は直接載置し、ベルトの外部コントロールによる一定速度の移動によって搬送されていくものが好ましい。
【0043】
(黒鉛化処理)
炭素化処理に続けて、さらに黒鉛化処理まですることができる。
黒鉛化処理の温度は、通常1400℃以上、好ましくは1600℃以上であり、また、通常3000℃以下、好ましくは2500℃以下である。温度が1400℃以上であればさらに織布の体積固有抵抗が減少し、ガス拡散層材料としてより好ましい。なお、3000℃程度までの処理で熱処理後の体積固有抵抗はガス拡散層材料として使用上問題がないものとなる。
【0044】
黒鉛化処理の時間は、通常10分以上、好ましくは20分以上であり、また、通常4時間以下、好ましくは2時間以下である。処理時間が10分未満では黒鉛化が均一に完了しない場合がある。他方、処理時間が長い場合は生産性及び熱効率が低く、また黒鉛化炉の断熱材、発熱体等から発生する不純物で織布が汚染される場合がある。
【0045】
(剛性付与処理)
これらの炭素質繊維織布に、バインダー、好ましくは樹脂やピッチなどの有機質バインダーを付着させて、織布を構成する炭素質繊維を互に結着させることにより、本発明に係る炭素質繊維織布を得ることができる。有機質バインダーの付着は、例えば、有機質バインダーの溶液中に織布を浸漬するか又は織布にこの溶液を塗布すればよい。
【0046】
例えば有機質バインダーを、水、メタノール、アセトン、トルエン、キシレン、キノリン、N,N−ジメチルホルムアミドなど適宜の溶媒に溶解した溶液に織布を浸漬して織布に有機質バインダーを付着させ、次いで乾燥したのち、ホットプレス、カレンダーロール、オーブン等で加熱して有機質バインダーを硬化させる手法によることができる。織布の浸漬に用いる有機質バインダー溶液としては、通常は濃度が0.1〜10重量%、好ましくは0.5〜5重量%程度のものを用いればよい。また、有機質バインダーを単に硬化させるだけでなく、有機質バインダーを付着させた織布を更に窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中で加熱して、有機質バインダーを炭素化、更には黒鉛化してもよい。
【0047】
有機質バインダーとしては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリフェニレン樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、アセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ビスマレイミド樹脂、熱可塑性ポリウレタン、ABS樹脂、AAS樹脂、ポリ−4−メチル−1−ペンテン、ポリ−1−ブテン、アクリロニトリル−スチレン系樹脂、ポリビニルブチラール、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、セルロース、エポキシ樹脂、ポリエステル、コールタールピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチなどを用いればよい。
【0048】
さらに、エチレン−プロピレン共重合ゴム、ポリジエン、ポリウレタンゴム、天然ゴム等のゴム様物質、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレンコポリマー、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム等のフッ素系ゴム、フルオロエチレン−ビニルエーテル共重合体(例えば、旭ガラス(株)製「ルミフロン」)、非晶質パーフルオロ樹脂(例えば、旭硝子(株)製「サイトップ」)、熱可塑性フッ素ゴム(例えば、ダイキン工業(株)製「ダイエルサーモプラスチック」)、軟質フッ素樹脂(例えば、セントラル硝子(株)製「セフラルソフト」)などのフッ素を含有する樹脂も使用し得る。これらのなかでも熱硬化性のものを用いるのが好ましい。特に織布に付着させた後に炭素化させる場合には、炭素化処理に際してその形状を維持し得るように熱硬化性のものを用いるべきであり、熱可塑性のものを用いる場合には炭素化処理に先立って耐炎化処理などの前処理をすべきである。
【0049】
本発明において、バインダーやその炭素化物で織布を構成する炭素質繊維を互に結着させる際には、バインダーやその炭素化物が織布の空隙を塞いで織布のガス拡散性を低下させないようにすることが重要である。
そのためには、下記の2つの手法が好適である。
即ち、▲1▼低濃度のバインダー溶液に織布を浸漬するか又はこの溶液を織布全面に塗布することにより、比較的少量のバインダー又はその炭素化物で炭素質繊維の表面を被覆して繊維を互いに結着させること、或いは、▲2▼高濃度のバインダー溶液を織布に散布して織布にバインダーを点状に付着させることにより、比較的多量のバインダー又はその炭素化物で炭素質繊維を不連続的に結着させることがあげられる。
【0050】
なお、この炭素質繊維表面のバインダー又はその炭素化物による結着の状態は、透過型電子顕微鏡写真により織布を観察することによって容易に確認することができる。
まず、上記▲1▼としては、通常、0.1〜20重量%、好ましくは0.5〜10重量%程度の比較的低濃度のバインダー溶液に織布を浸漬して織布に有機質バインダーを付着させ、次いで乾燥したのち、ホットプレス、カレンダーロール、オーブン等で加熱して有機質バインダーを硬化させる手法によることができる。従って有機質バインダーを多量に付着させた場合には、付着後に有機質バインダーを炭素化させるべきである。なお、織布に付着させた有機質バインダーを炭素化させる場合には、有機質バインダーとしては、炭素化後の残存率が20%以上、特に40〜65%のものを用いるのが好ましい。また、バインダー中に、粉末状活性炭、活性炭素繊維、ケッチェンブラックのような多孔質カーボンブラックなどを混合して織布に付着させてもよい。これらはバインダーに対して10〜90重量%、特に30〜80重量%程度混合するのが好ましく、これにより一般に最終的に得られる炭素質繊維織布の剛性を高めることができる。この場合に、得られる炭素質繊維織布における、バインダーないしその炭素化物の含有量は、通常は0.01重量%以上、好ましくは0.05重量%以上である。また、通常は30重量%以下であり、好ましくは25重量%以下、より好ましくは20重量%以下、さらには10重量%以下が好ましい。
【0051】
バインダーないしはその炭素化物の含有量が多いと織布のガス透過性が損なわれ易いので、剛性などが満足される限り、これらの含有量は少ない方が好ましいともいえる。かかる観点からはバインダーないしはその炭素化物の含有量は16重量%以下が好ましく、さらには10重量%以下、特に5重量%以下であれば更に好ましい。
【0052】
次に、上記▲2▼の、バインダー又はその炭素化物で炭素質繊維を不連続的に結着させる方法としては、次のようなものがあげられる。まず、バインダー又はその炭素化物の種類としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂等熱硬化性樹脂を選択することが好ましい。この熱硬化性樹脂を、通常、平均粒径3μm以上、好ましくは平均粒径10μm以上、また、通常、平均粒径50μm以下、好ましくは平均粒径30μm以下(最大粒径は、通常、200μm以下、好ましくは150μm以下、最小粒径は、通常、0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上)の半硬化樹脂微粒子の分散液として、織布に噴霧又は塗布し、適宜、乾燥、プレスし、加熱して完全硬化することにより作製することができる。
【0053】
なお、半硬化樹脂とは、該樹脂を大過剰のメタノールで煮沸したとき、溶解量が30〜97重量%、中でも70〜95重量%程度のものを指す。熱硬化性樹脂が完全硬化していれば、大過剰のメタノール中でも実質的に溶解しないが、完全硬化に至らない場合は一部溶解するので、溶解量によって硬化度を表すことが出来る。
【0054】
乾燥は、通常、50〜170℃、好ましくは90〜160℃で行えばよく、完全硬化は、用いる熱硬化性樹脂の硬化温度以上であり、通常、120〜400℃、好ましくは180〜330℃で行えばよい。
なお熱硬化性樹脂としては、耐熱性、化学的安定性、導電性等を考慮した場合、特に、フェノール樹脂及び変性フェノール樹脂の半硬化物が好ましい。
【0055】
有機質バインダーを多量に付着させた場合には、付着後に有機質バインダーを炭素化させるべきである。なお、織布に付着させた有機質バインダーを炭素化させる場合には、有機質バインダーとしては、炭素化後の残存率が20%以上、特に40〜65%のものを用いるのが好ましい。また、バインダー中に、粉末状活性炭、活性炭素繊維、ケッチェンブラックのような多孔質カーボンブラックなどを混合して織布に付着させてもよい。これらはバインダーに対して10〜90重量%、特に30〜80重量%程度混合するのが好ましく、これにより一般に最終的に得られる炭素質繊維織布の剛性を高めることができる。この場合に、得られる炭素質繊維織布における、バインダーないしその炭素化物の含有量は、通常は10重量%以上、好ましくは20重量%以上で、通常、40重量%以下、好ましくは35重量%以下、更に好ましくは、30重量%以下である。
【0056】
このような熱硬化性樹脂の半硬化物をバインダーとして剛性を高めた織布は、炭素質繊維間を半硬化物が点接触して結着させることができるので、例えば液体状のフェノール樹脂を用いた場合のように、炭素質繊維同志の接着だけでなく該繊維の表面を樹脂が覆うために発生する電気抵抗増加が少なく、好ましい。
耐炎化繊維を製織して得た織布を炭素化、さらには黒鉛化する際に繊維を相互に融着させると、バインダーを用いずとも本発明に係る炭素質繊維織布を製造することができるが、このようにして得られた織布に、前記と同様にして、バインダーを付与して、織布を構成する炭素質繊維を互に結着させることもできる。また炭素化処理する前の耐炎化繊維織布に有機質バインダーを付着させて、織布の炭素化と有機質バインダーの炭素化とを同時に行うこともできる。有機質バインダーとしては前記したもののなかから適宜選択して用いればよい。
【0057】
なお、上述の樹脂バインダーの炭素化の条件は、通常、400〜2200℃、好ましくは700〜1600℃、より好ましくは800〜1200℃で、通常、1分〜5時間、好ましくは10〜30分である。
(その他の処理)
上記で得られた炭素質繊維織布は実質的に炭素質繊維よりなるものであるが、上記のバインダー又はその炭素化物を含有しており、更に、これに、粉末活性炭、導電性カーボンブラック、各種ピッチの炭素化物などの導電性物質を含有させることもできる。例えば、ピッチを有機溶媒に溶解させてピッチ溶液とし、これに粉末活性炭や導電性カーボンブラックを懸濁させたものを上記で得られた織布に塗布し、次いで不活性ガス中で加熱してピッチを炭素化させたものが挙げられる。その場合でも、織布に占める炭素質繊維の割合は通常60重量%以上であり、好ましくは80重量%以上である。
【0058】
上記により得られた炭素質繊維織布は、そのままでも燃料電池のガス拡散層の材料として用いることができるが、これを更に加工してガス拡散層の材料として用いることもできる。例えば電池を構成する膜電極体に適度の水分を保持させたり、電池に供給される燃料や酸化剤に含まれる不純物を吸着除去して電池特性の低下を防止するために、上記で得られた炭素質繊維織布に、800〜1200℃程度の水蒸気や二酸化炭素、または300〜500℃程度の空気を接触させ、炭素質の一部をガス化して炭素質繊維に微細な孔を生成させ、多孔性の炭素質繊維からなる織布とすることができる。
【0059】
(炭素質繊維織布の物性)
得られる炭素質繊維織布の目付量は、50g/m2以上、好ましくは60g/m2以上であり、また、200g/m2以下、好ましくは180g/m2以下である。目付量が小さすぎると引張強度が小さくなり、ガス拡散層材料として使用できない。目付量が大きすぎるとガス透過性が小さくなりすぎる。
【0060】
炭素質繊維織布の嵩密度(g/cc)は、織布の目付量を織布の厚さで除すことにより得られる。織布の嵩密度は、0.2g/cc以上、好ましくは、0.25g/cc以上であり、また、0.6g/cc以下、好ましくは、0.55g/cc以下である。嵩密度が0.2g/cc未満では織布の引張強度が弱く実用的でない。また、嵩密度が大きすぎるとガス拡散性が低下する。
【0061】
炭素質繊維織布の面方向の体積固有抵抗は、0.2Ωcm以下、好ましくは0.15Ωcm以下、より好ましくは0.10Ωcm以下である。この値は低いほど好ましいが、0.05Ωcm以下程度であればガス拡散層材料として十分に低い体積固有抵抗である。
織布を構成する糸の繊度は、メートル番手で、通常16番手以上、好ましくは18番手以上、より好ましくは20番手以上であり、また、通常60番手以下、好ましくは55番手以下である。
【0062】
単糸の場合、メートル番手で、通常1/16Nm以上、好ましくは1/18Nm以上、より好ましくは1/20Nm以上であり、また、通常1/60Nm以下、好ましくは1/55Nm以下である。双糸の場合、メートル番手で、通常2/32Nm以上、好ましくは2/36Nm以上、より好ましくは2/40Nm以上であり、また、通常2/120Nm以下、好ましくは2/110Nm以下である。
【0063】
1/16Nm又は2/32Nmより太番手の場合、単位長さあたりの毛羽数が多くなる傾向がある。また、1/60Nm又は2/120Nmより細番手の場合、糸の引張強度が低くなる傾向がある。
なお、炭素質繊維は、紡糸−耐炎化−炭素化−(黒鉛化)という工程を経て得られるが、耐炎化糸を炭素化、さらには黒鉛化する工程で、繊度は約10〜20%程度減少する。本発明において織布を構成する糸の繊度は、最終的に得られた織布の糸についてのものであり、織布から糸を抜き出して計測することにより測定できる。
【0064】
平織の場合の炭素質繊維織布の経緯密度(単位長さ当たりの縦糸及び横糸の本数)は、織布を構成する糸(耐炎化糸)が炭素化、黒鉛化する工程で繊度が約10%程度減少するため、一般的には1インチ当り30〜70本であるが、具体的には単糸、双糸の別や糸の太さに応じて適宜選択する。例えば、2/40Nmの紡績糸の双糸を縦糸及び横糸に用いた場合の経緯密度は、織布の長さ10cm当たり、通常は縦糸、横糸とも100〜300本/10cmであり、好ましくは180〜250本/10cmである。また、縦糸と横糸の糸間の空隙が、走査型電子顕微鏡で観察した場合、その糸間の空隙に該当する孔径が10〜150μmであることが、燃料電池のガス拡散層に用いたときの保水性・排水性を確保するために好ましい。
【0065】
好ましい織布の1例は、直径が7〜10μmの単繊維から成る40〜60番手糸の双糸を、1インチ当り縦糸、横糸とも30〜70本の密度で平織して得られるものである。
炭素質繊維織布の厚さ(平均値)及び厚みムラ(変動係数)は次のようにして求める。織布からその縦糸方向及び横糸方向を辺とする正方形を、端から5mmまで、好ましくは10mmまでの部分は含まないように、切り出し、その対角線2本をそれぞれ11等分した合計20個の分割点の織布の厚さを測定する。測定値から平均値及び厚さの変動係数(織布厚さの標準偏差/織布厚さの平均値x100%)を求める。切り出す織布のサイズは、織布の幅によって異なるが、端部を除く40〜98%の布幅で、中でも70〜90%程度の布幅で、正方形に切り出すのが標準的であり、特に限定しないが、10〜40cm角の正方形が好ましい。
【0066】
厚さの測定は、直径が5mmの円盤型の端子を約10g/cm2の加重で織布表面に接触させて厚さを測定する。上記の測定を、織布の長さ方向に、端から5mmまで、好ましくは10mmまでの部分は含まないように、5〜50mおきに実施するが、織布長さが5m未満のときは、任意の部分1点を正方形に切り出して測定した値から炭素質繊維織布の厚さ及び厚さの変動係数を求める。長さが5m以上の場合は、長さ方向に5等分し、それぞれから任意の部分1点を正方形に切り出した計5点について厚さ及び厚さの変動係数を求め、それらの平均値を長尺炭素質繊維織布の厚さ及び厚さの変動係数とする。
【0067】
炭素質繊維織布の厚さは、0.05mm以上、好ましくは0.1mm以上であり、また、2mm以下、好ましくは1mm以下、より好ましくは0.35mm以下である。厚さが0.05mm未満では引張強度が小さく、ガス拡散層材料として不十分であり、他方、厚さが2mmを越えるとガス透過性が低下し、ガス拡散層材料として不十分である。
【0068】
炭素質繊維織布の厚さの変動係数は、3.2%以下、好ましくは3%以下、より好ましくは2.8%以下であるが、織布の縦糸と横糸とが交差し、微妙な厚さムラが発生している箇所に、剛性付与処理により付着したバインダー又はその炭素化物が入り込んで変動係数が改善されるので、通常、2.5%以下、好ましくは2.3%以下、より好ましくは2%以下となる。変動係数は小さいほどよいが、1%程度なら十分である。
【0069】
(織布を構成する縦糸及び横糸の断面形状)
プレス加工を行っていない通常の織布においては、製織後の糸の全体断面形状は、ほぼ真円形、または長径/短径の比が1に近い楕円形で近似することができる。これに対し、プレス加工後の織布の糸の断面形状は、面方向が長径、厚さ方向が短径で長径/短径の比が2以上の楕円形で近似することができる。
【0070】
織布中の糸の断面形状の観察方法は、特に限定されないが、例えば、織布の破断面を縦糸または横糸に平行に切断し、切断した断面を走査型電子顕微鏡等の顕微鏡で撮影した写真から求めることができる。織布の切断は刃の鋭利なハサミを使用することが可能であるが、それ以外に、織布を硬化後の寸法変化の小さい熱硬化性樹脂中に埋設し、完全硬化した後、破断面を切削器具で切り出して観察対象試料としてもよい。
【0071】
織布を構成する縦糸及び横糸の断面の長径/短径の比の値は、糸の太さ(糸番手)、糸の撚り数、双糸か単糸か、或いは織布の経緯密度により若干異なるが、2以上でなければならず、好ましくは2.5以上、より好ましくは3以上である。長径/短径の比が2未満では厚さムラの低減効果が小さい。なお、長径/短径の比は通常10以下であり、好ましくは8以下である。該比が10を越える場合には、極度に織布の厚さが薄くなる部分が発生し、厚さムラが大きくなる場合がある。
【0072】
なお上記長径及び短径の実測値は、糸の太さ(糸番手)、糸の撚り数、双糸か単糸か、或いは織布の経緯密度により若干異なるが、長径が通常200〜800μmであり、短径が通常80〜200μmである。
(ガス透過性)
ガス透過性は、JIS L 1096(一般織物試験法)の通気性試験(フラジール形法)により測定した。この評価法により得られたガス透過性の測定値は、燃料電池用ガス拡散層材料として炭素質繊維を使用する場合のガス透過性及び保水性の程度を反映する。
【0073】
織布のガス透過性は、通常、200cm3/cm2・sec以下であり、好ましくは150cm3/cm2・sec以下である。ガス透過性は低いほど保水性が向上するため好ましいが、ガス拡散層材料として使用するためには、30cm3/cm2・sec以上、自動車用の固体高分子型燃料電池のような瞬時に大電流の発生を必要とする高出力用途で使用する場合は、50cm3/cm2・sec以上が好ましい。
【0074】
(炭素質繊維の単繊維のサイズ)
炭素質繊維の単繊維の直径は通常6〜50μm、好ましくは6〜30μmの範囲である。特に直径7〜15μmの単繊維からなる紡績糸から得られた織布は、上記の炭素化処理、黒鉛化処理により厚さムラが発生しにくいため好ましい。
(剛軟性指数値)
本発明の炭素質繊維織布において、45°カンチレバー法に準拠した剛軟性指数値(L)は6cm以上であることが必要である。45°カンチレバー法による剛軟性指数値(L)は、JIS L 1096に規定された、織布のしなやかさ(剛軟性)の指標である。
【0075】
45°カンチレバー法による剛軟性指数値の測定では、2cm×約15cmの寸法で採取した試験片を、その一端に45度の傾斜面をもつ表面の滑らかな水平台の上に試験片の短辺をスケール基線に合わせて置く。次に、試験片を斜面の方向に緩やかに滑らせて、試験片の一端の中央点が上記の傾斜面と接したときに、他端の位置をスケールによって読む。剛軟度は、かくして得られた試験片が異動した長さで示される。
【0076】
通常の炭素質繊維織布はしなやかであり、厚さが0.05〜1mmの織布の指数値(L)は通常5cm以下である。本発明に係る炭素質繊維織布では、織布を形成する繊維を互に融着又は結着させることにより、指数値(L)を6以上としたものである。指数値(L)は8cm以上であることが好ましい。
なお、45°カンチレバー法による剛軟性指数値(L)は、JIS規格において、最大値は約15cmであるが、試験片の長さを15cmよりも長くすることにより、より剛性の大きいものの指数値も測定することができるので、剛軟性指数値(L)が30cm以下であれば、JIS規格準拠の剛性の指標として一般的に許容されている。本発明に係る炭素質繊維織布は、45°カンチレバー法に準拠する剛軟性指数値(L)が25cm以下であるのが好ましい。
【0077】
なお、JIS L 1096には、45°カンチレバー法よりも高剛性の試料の剛性評価向けに、クラーク法が記載されている。
クラーク法では、2cm×15cm〜25cmの寸法で採取した試験片をクラーク形試験機の2個のローラ間に挟み、ハンドルを左右に回し、試験片が左右に倒れるときの角度目盛り板に指示される左右の角度の和が90°±2°となるようにローラから張り出す長さを加減し、その時の長さを測る。
【0078】
クラーク法についても、45°カンチレバー法と同様に、剛軟性指数値(L)の最大値は約25cmであるが、40cm以下であれば、JIS規格準拠の剛性の指標として一般的に許容されている。本発明の炭素質繊維織布の剛軟性指数値の好ましい上限値の25cmを、クラーク法に準拠する剛軟性指数値(L)で表すと、約35cmとなる。
【0079】
炭素質繊維織布を燃料電池のガス拡散層材料として用いる場合、あまりに剛性が強すぎると、織布を巻回状にしづらく、取り扱いが困難となる。クラーク法よりも更に高剛性の(硬い)試料の剛性を評価する指標として、オルゼン型試験機を用いた曲げこわさ試験による曲げ弾性率による数値化も可能である。厚さにより若干の違いがあるが、この曲げ弾性率で、1×104kgf/cm2を越えると、ロール径にもよるものの、捲回することによる破壊が生じるため、燃料電池に用いるには適さない。例えば、外径10cmのロールに巻き付けた際に、ヒビ・割れが生じるような織布は、実質的に燃料電池用ガス拡散層材料としての使用ができない。しかしながら、45°カンチレバー法に準拠する剛軟性指数値(L)で25cm、クラーク法に準拠する剛軟性指数値(L)で表せば約35cm迄の剛性であれば、3インチ(76mm)直径の巻き芯にも捲回出来る捲回性を有するので、実用上好適である。
【0080】
(炭素質繊維織布の毛羽立ちの度合い)
炭素質繊維織布は、毛羽立ちが少ないものの方が、電気的特性上好ましい。この毛羽立ちの度合いは、以下に述べる毛羽付着試験法(QTECセロテープ(R)法)により測定することができる。
即ち、幅18mmのセロハンテープを、表面が平滑なプラスチック板に40gf/cm2の荷重で接着した場合に、JIS L 1089試験法による剥離強さが、350±25gfであるセロハンテープ(例えば、幅18mmのニチバン(株)のセロテープ(R)、品番CT−18又はLP−18が挙げられる。)を、被測定試料である繊維織布にはり、40gf/cm2の荷重をのせ、5秒間放置し、剥がす操作を、同じテープで、織布の縦又は横の同方向の5ヶ所で繰り返す。セロハンテープに付着した毛羽の量を財団法人日本繊維製品品質技術センター(略称QTEC)の定める、毛羽付着試験判定スケール(1〜5級)と比べて判定する。
【0081】
この評価法では、1級が繊維織布の毛羽量が最も多く、級数が高くなるほど毛羽量は少ない。5級が、毛羽が最も少ない。評価の級数は、整数の級数間、例えば、2級と3級の間の場合、2−3級(2.5級)と表記する。
本発明に係る炭素質繊維織布は、この毛羽付着試験法において、毛羽立ち度が、2級以上であるのが好ましい。なかでも好ましいのは3級以上、特に3−4級(3.5級)以上のものである。毛羽立ち度が2級に達成しないものは、炭素質繊維が、炭素質繊維織布の表面から多量に突出しているので、燃料電池のガス拡散層に用いた場合に、短絡を起こしやすくなる。
【0082】
(炭素質繊維織布中の金属不純物)
織布中の金属不純物は、燃料電池の作動時に生成水の電気分解反応により電池特性の低下要因となるため、極力少なくするのが好ましい。例えば鉄は50μg/g以下、ニッケルは50μg/g以下、ナトリウムは100μg/g以下であるのが好ましい。織布中の金属不純物は、織布ないしはその原料の炭素質繊維、更にはその原料糸などを、塩酸、酢酸などの酸で洗浄することにより、その含有量を低減させることができる。
【0083】
(固体高分子型燃料電池用ガス拡散層材料)
本発明の炭素質繊維織布は、燃料電池のガス拡散層として好適に用いることができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレンの分散液と触媒及びカーボンブラックとを混合して得たペーストを高分子固体電解質膜に塗布して高分子固体電解質膜と触媒層との接合体を形成し、これに本発明の炭素質繊維織布をガス拡散層として接合することにより膜電極体を形成することができる。高分子固体電解質膜と触媒層との接合体の形成は、離型シート上にポリテトラフロオロエチレンの分散液と触媒及びカーボンブラックとのペーストを塗布して触媒層を形成し、これと高分子固体電解質膜とをホットプレスで接合することにより形成することもできる。また逆に本発明の炭素質繊維織布に触媒ペーストを塗布してガス拡散層と触媒層との接合体を形成し、これと高分子固体電解質膜とをホットプレスで接合することにより膜電極体を形成することもできる。いずれの方法による場合でも、本発明の炭素質繊維織布は適度の剛性を有しているので、取扱いが容易である。
【0084】
本発明の炭素質繊維織布を用いた固体高分子型燃料電池は、自動車用電源やコージェネレーション発電システム用電源として好適に用いられるものである。
【0085】
【実施例】
次に本発明の具体的態様を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例によって限定されるものではない。
[比較例1]
(炭素質前駆体繊維織布)
メートル番手40番手双糸(2/40Nm)のLOI値50のポリアクリロニトリル耐炎化紡績糸を平織とした。織布のサイズは幅100cm、長さ150mであり、厚さは0.318mm(平均値)、目付量は171g/m2(平均値)、嵩密度は0.538g/ccであった。
【0086】
(プレス加工処理)
上記炭素質前駆体繊維織布を、ロール型プレス器の上段ロールと下段ロールとの隙間に、接触圧力300kg/cmで接触させ、10m/分の搬送速度で織布を1回通過させてプレス加工を行った。
プレス加工後の織布の厚さは0.299mm(平均値)、目付量は171g/m2(平均値)、嵩密度は0.572g/ccであった。
【0087】
(炭素化処理)
プレス加工後の炭素質前駆体繊維織布を幅50cmで切り出し、窒素雰囲気下の横型連続式炭素化炉で950℃で炭素化処理を行った。
(炭素化後の炭素質繊維織布の物性)
炭素化後の炭素質繊維織布の物性を前記の方法に従って測定した。ただし、織布の厚さの測定のために織布の縦糸方向及び横糸方向を辺として切り出す正方形のサイズは40cm四方とした。
【0088】
炭素化後の炭素質繊維織布の厚さは0.234mm、厚さの変動係数は2.6%、目付量は112g/m2、嵩密度は0.479g/cc、体積固有抵抗は0.12Ωcm、ガス透過性は98cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸5.5、横糸5.7であった。
(黒鉛化処理)
巻き取った炭素化後の炭素質繊維織布を真空黒鉛化炉で2000℃以上で黒鉛化処理して黒鉛化処理された織布を得た。
【0089】
(黒鉛化後の炭素質繊維織布の物性)
黒鉛化後の炭素質繊維織布の物性を前記の方法に従って測定した。ただし、織布の厚さの測定のために織布の縦糸方向及び横糸方向を辺として切り出す正方形のサイズは40cm四方とした。
黒鉛化後の炭素質繊維織布の厚さは0.208mm、厚さの変動係数は2.6%、目付量は96g/m2、嵩密度は0.462g/cc、体積固有抵抗は0.02Ωcm、ガス透過性は92cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸5.0、横糸5.2であり、剛軟性指数値(L)は4cm、毛羽立ち度は2級であった。
【0090】
[実施例1]
黒鉛化処理まで比較例1と同様にして黒鉛化後の炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理)
得られた黒鉛化後の炭素質繊維織布を、濃度8重量%のフェノール樹脂(レゾール型)のエタノール溶液に浸漬した。130℃で乾燥したのち、330℃でホットプレスし、樹脂を硬化させて炭素質繊維織布を得た。
【0091】
(剛性付与処理後の炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.226mm、厚さの変動係数は2%、目付量は110g/m2、嵩密度は0.487g/cc、体積固有抵抗は0.07Ωcm、ガス透過性は80cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸、横糸ともに5.0であり、剛軟性指数値(L)は10cm、毛羽立ち度は3−4級、バインダーの付着量は15重量%であった。なお、フェノール樹脂を含浸させたのち、乾燥・硬化すると、炭素質繊維織布は若干収縮するので、製品の単位面積当りのフェノール樹脂付着量は、ホットプレス前の付着量よりも多い。
【0092】
[実施例2]
(剛性付与処理)
実施例1で得られた樹脂硬化後の炭素質繊維織布を用い、窒素ガス雰囲気下の横型連続炉にて、980℃で炭素化処理を行ない、炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理した炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.221mm、厚さの変動係数は1.9%、目付量は104g/m2、嵩密度は0.471g/cc、体積固有抵抗は0.03Ωcm、ガス透過性は85cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸4.9、横糸5.1、剛軟性指数値は9cm、毛羽立ち度は3−4級、バインダーの炭素化物の付着量は8重量%であった。
【0093】
[実施例3]
黒鉛化処理までは実施例1と同様にして黒鉛化後の炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理)
得られた黒鉛化後の炭素質繊維織布を、濃度15重量%のフェノール樹脂(レゾール型)のエタノール溶液に浸漬したこと以外は、実施例1と同様にして剛性付与処理をした樹脂硬化後の炭素質繊維織布を得た。さらに、得られた樹脂硬化後の炭素質織布を、実施例2と同様にして980℃で炭素化処理を行い、炭素質繊維織布を得た。
【0094】
(剛性付与処理した炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.225mm、厚さの変動係数は1.4%、目付量は115g/m2、嵩密度は0.511g/cc、体積固有抵抗は0.02Ωcm、ガス透過性は85cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸、横糸ともに5.1、剛軟性指数値は12cm、毛羽立ち度は3−4級、バインダーの炭素化物の付着量は19重量%であった。
【0095】
[実施例4]
黒鉛化処理までは実施例1と同様にして黒鉛化後の炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理)
得られた黒鉛化後の炭素質繊維織布を、濃度10重量%の平均粒径20μmのフェノール樹脂半硬化物(フェノール樹脂半硬化物のメタノール煮沸時の溶解率が95%)水分散液に浸漬した。100℃で60分間乾燥した後、300℃でホットプレスし、樹脂を硬化させて炭素質繊維織布を得た。
【0096】
(剛性付与処理した炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.220mm、厚さの変動係数は1.4%、目付量は105g/m2、嵩密度は0.477g/cc、体積固有抵抗は0.05Ωcm、ガス透過性は85cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸5.0、横糸5.2、剛軟性指数値は12cm、毛羽立ち度は3−4級、バインダーの炭素化物の付着量は10重量%であった。
【0097】
得られた炭素質繊維織布から5mm×5mm角の大きさのものを切り出し、走査型電子顕微鏡写真を撮影して、観察したところ、樹脂成分の大部分の形状は約1〜10μm程度の球状であり、これらの大部分が炭素質繊維間を点接触するような形で存在していた。また、炭素質繊維の表面が樹脂で被覆された様子は観察されなかった。
【0098】
[実施例5]
(剛性付与処理)
実施例4で得られた樹脂硬化後の炭素質繊維織布を用い、窒素ガス雰囲気下の横型連続炉にて、980℃で炭素化処理を行ない、炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理した炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.215mm、厚さの変動係数は1.5%、目付量は101g/m2、嵩密度は0.470g/cc、体積固有抵抗は0.02Ωcm、ガス透過性は90cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸4.8、横糸4.9、剛軟性指数値は10cm、毛羽立ち度は3級、バインダーの炭素化物の付着量は5重量%であった。
【0099】
[比較例2]
黒鉛化処理までは実施例1と同様にして黒鉛化後の炭素質繊維織布を得た。
(剛性付与処理)
得られた黒鉛化後の炭素質繊維織布を、濃度40重量%のフェノール樹脂(レゾール型)のエタノール溶液に浸漬したこと以外は、実施例1と同様にして剛性付与処理をした炭素質繊維織布を得た。
【0100】
(剛性付与処理した炭素質繊維織布の物性)
剛性付与処理後の炭素質繊維織布の厚さは0.265mm、厚さの変動係数は3.1%、目付量は170g/m2、嵩密度は0.641g/cc、体積固有抵抗は0.21Ωcm、ガス透過性は25cm3/cm2・sec、糸の長径/短径の比は縦糸、横糸ともに4.2、剛軟性指数値は15cm、毛羽立ち度:3−4級、バインダーの炭素化物の付着量は78重量%であった。
【0101】
[比較例3]
プレス加工処理及び剛性付与処理をしなかったこと以外は実施例1と同様にして黒鉛化処理された炭素質繊維織布を得た。
(黒鉛化後の炭素質繊維織布の物性)
黒鉛化後の炭素質繊維織布の厚さは0.246mm、厚さの変動係数は3.5%、目付量:101g/m2、嵩密度は0.411g/cc、体積固有抵抗0.02Ωcm、ガス透過性は105cm3/cm2・sec、体積固有抵抗は0.02Ωcm、糸の長径/短径の比は縦糸1.8、横糸1.9、剛軟性指数値は4cm、毛羽立ち度は1−2級であった。
【0102】
【発明の効果】
本発明により、ガス透過性、導電性、保水性、排水性等の性質がバランスし、厚さむらが小さく、かつ適度な剛性を有し、固体高分子型燃料電池用ガス拡散層材料として好適な炭素質繊維織布が提供される。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbonaceous fiber woven fabric.
[0002]
[Prior art]
In recent years, great efforts have been put into the development of fuel cells.
Fuel cells are classified into alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte used, but among these, they can be operated at low temperatures and handled. 2. Description of the Related Art Solid polymer fuel cells that are easy and have a high output density have attracted attention for applications such as electric vehicles and household power supplies. Solid polymer fuel cells are being considered for cogeneration systems that improve overall thermal efficiency by using heat generated during power generation for heating and hot water supply.
[0003]
Main components of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell are usually a membrane electrode body and a grooved separator. The basic structure of the membrane electrode body is obtained by sequentially joining a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a current collector on both sides of a polymer solid electrolyte membrane (ion exchange membrane). The catalyst layer is mainly composed of a mixture of a catalyst and carbon black. The gas diffusion layer may also function as a current collector. A single cell of a polymer electrolyte fuel cell is formed by bonding a grooved separator to both surfaces of the membrane electrode body.
[0004]
In the polymer electrolyte fuel cell, fuel (hydrogen gas) is supplied to the anode side catalyst layer through the groove of the grooved separator, and oxidant (oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side catalyst layer to cause a cell reaction. Sometimes, the flow of electrons generated through the membrane electrode body is taken out to the outside as electric energy. Therefore, the following is desired as the gas diffusion layer material.
(1) In order to operate this mechanism efficiently, the fuel and oxidant are supplied smoothly and evenly to the membrane electrode assembly.
(2) In order not to reduce the extraction efficiency of electric energy as much as possible, it has sufficient conductivity (that is, low volume resistivity),
(3) A moderate amount of water is retained so that the solid electrolyte membrane in the center of the membrane electrode body can exhibit proton conductivity (water retention),
{Circle around (4)} The water produced by the battery reaction can be discharged smoothly (drainage).
[0005]
However, water retention and drainage are contradictory, and it is generally difficult to satisfy both at the same time.
Carbon paper is mainly used as a material for the gas diffusion layer (which may also serve as a current collector), but recently we have examined the use of carbonaceous fiber woven fabrics made by weaving carbonaceous fibers. Has been.
[0006]
Carbon fiber woven fabric has greater air permeability than carbon paper, facilitates the smooth and even supply of fuel to membrane electrode assemblies, facilitates lowering of volume resistivity, and thickness depending on the material and weaving method. There are advantages that carbon paper does not have because it can be elastic in the direction, is not mechanically brittle, and is easy to control water retention and drainage.
[0007]
However, in a carbon fiber woven fabric, warp and weft of the woven fabric intersect each other, so that a slight thickness unevenness is likely to occur compared to carbon paper. Therefore, a slight difference in the contact state between the separator and the carbon cloth as the gas diffusion layer material results in unstable electrical resistance at that portion, resulting in unstable electrical resistance of the entire woven fabric. There is a problem that it is easy to become.
[0008]
Several methods for solving such problems of carbon fiber woven fabric have been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-165254 describes filling a void portion of a carbonaceous fiber woven fabric with a mixture of a fluororesin and carbon black (see Patent Document 1). Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-261421 describes that a layer made of a fluororesin and carbon black is formed on the surface of a carbon fiber woven fabric (see Patent Document 2). These methods are expected to reduce thickness unevenness by forming a fluororesin / carbon black mixed phase on the cloth surface.
[0009]
However, these methods are intended to adjust the water retention, drainage, gas permeability, etc. of the gas diffusion layer by filling the carbon fiber woven fabric with fluororesin, carbon black, etc. This is accompanied by the drawback that the battery characteristics are lowered due to the increased resistance, and the gas permeability, which is an advantage of the carbon fiber woven fabric, is lowered.
In addition, since the carbon fiber woven fabric is supple, when a fuel cell is formed by combining a membrane electrode body using the gas diffusion layer with a grooved separator, the carbon fiber woven fabric enters the groove of the grooved separator. There is a problem that the flow of gas in the groove is obstructed. Furthermore, since the contact point between the fibers is not fixed in the carbon fiber woven fabric, there is a problem that the electrical resistance in this portion is not stable, and as a result, the electrical resistance of the entire woven fabric tends to be unstable.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 58-165254 A
[Patent Document 2]
JP-A-10-261421
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is to balance the properties desired as a gas diffusion layer material such as gas permeability, conductivity (low resistance), water retention, drainage, etc., and is uniform and has small thickness unevenness. Providing a carbonaceous fiber woven fabric that can reduce the difference in contact resistance at a minute level between the separator and the gas diffusion layer, and as a result, can stabilize battery characteristics such as output characteristics; and Due to the high rigidity of the carbon fiber woven fabric, there is almost no sag in the groove of the separator, and as a result, gas diffusion in the fuel cell is uniform and stable power generation characteristics can be expressed. The object is to provide a carbonaceous fiber woven fabric suitable as an expanding material, and particularly to provide a carbonaceous fiber woven fabric suitable as a gas diffusion layer material for a polymer electrolyte fuel cell.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have obtained rigidity and thickness unevenness by combining weaving, pressing, carbonization / graphitization, and rigidity imparting treatment in a specific order. The present inventors have found that a carbon fiber woven fabric with a small amount can be obtained, and the present invention has been completed based on this.
[0013]
That is, the gist of the present invention is a woven fabric mainly composed of carbonaceous fiber yarns having a basis weight of 50 to 200 g / m. 2 The thickness is 0.05 to 2 mm, the bulk density is 0.2 to 0.6 g / cc, the volume specific resistance in the plane direction is 0.2 Ωcm or less, and the warp yarn direction and the weft yarn direction are the sides. When the square is cut into two squares, the variation coefficient of the thickness of the woven fabric at a total of 20 dividing points obtained by dividing the two diagonals into 11 equal parts is 3.2% or less, and the warp and weft constituting the woven fabric Is a carbonaceous fiber woven fabric characterized in that the major axis of the cross section is twice or more the minor axis and the stiffness index value (L) based on the 45 ° cantilever method is 6 cm or more.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The carbonaceous fiber woven fabric of the present invention is a woven fabric mainly composed of carbonaceous fiber yarns, and has a specific weight, thickness and coefficient of variation thereof, bulk density, and surface volume resistivity in a specific range. The cross-sections of the warp and weft constituting the woven fabric have a specific shape, and the stiffness index value based on the 45 ° cantilever method is in a specific range.
[0015]
The method for producing the carbonaceous fiber woven fabric of the present invention is not particularly limited as long as a material satisfying specific physical properties is obtained.For example, after pressing a woven fabric obtained by weaving carbonaceous precursor fibers, It can be produced by fusing the fibers to each other during carbonization and further graphitization. Further, more preferably, weaving the carbonaceous precursor fiber, pressing the resulting woven fabric, carbonizing treatment, and further graphitizing if desired, specifically, giving a rigidity, specifically, It can be produced by attaching a binder such as a resin and further carbonizing the attached binder component to obtain a carbonized product.
[0016]
Hereinafter, this manufacturing method will be described in detail.
(Carbonaceous precursor fiber)
As the carbonaceous precursor fiber as a starting material, any known carbonaceous precursor fiber such as polyacrylonitrile-based, pitch-based, cellulose-based, polynosic-based, phenolic resin-based, or a mixture thereof can be used. Usually, pitch system or polyacrylonitrile system is used. Among them, it is preferable to use a polyacrylonitrile-based carbonaceous precursor fiber. The polyacrylonitrile-based carbonaceous precursor fiber is made from polyacrylonitrile with 100% acrylonitrile as the raw material, or acrylonitrile-based copolymer mainly composed of acrylonitrile with 50% or more of acrylonitrile, depending on the content ratio of acrylonitrile units. In addition, there are various types such as those made from acrylonitrile-based copolymers containing 20-50% acrylonitrile as acrylonitrile, and carbonaceous precursor fibers made from any of these may be used. it can.
[0017]
(Flame resistance treatment)
Prior to weaving the carbonaceous precursor fiber into a woven fabric, it can be subjected to flame resistance treatment.
Flameproofing treatment (infusibilization treatment) is a chemical reaction in which oxygen atoms are introduced into the molecular structure of pitch or polyacrylonitrile, and is usually 200 to 300 ° C., at most below 400 ° C. This is done by contact for a minute. In general, the greater the amount of oxygen introduced into the molecular structure, the greater the effect of preventing fusion during the subsequent carbonization treatment. As the index, the limiting oxygen concentration necessary for burning the fiber, generally called LOI value, is used. In order not to cause fusion as in the case of production of normal carbonaceous fibers, flameproofing treatment should be performed so that the LOI value becomes 35-60. Also in the production of the carbonaceous fiber woven fabric of the present invention, it is preferable to perform a flame resistance treatment so that the LOI value of the carbonaceous precursor is 35-60.
[0018]
That is, when the carbonaceous fibers constituting the woven fabric are not fused, the flame resistance treatment may be performed so that the LOI value becomes 35-60. Conversely, when it is desired to improve the characteristics of the fuel cell by fusing the fibers into a woven fabric having rigidity, the flame resistance treatment may be performed so that the LOI value is less than 35, particularly 33 or less. . Note that if the LOI value is too small, the subsequent carbonization treatment becomes excessively fused, and the resulting carbonaceous fiber woven fabric becomes brittle, so that the LOI value is 20 or more, particularly 25 or more. Is preferably performed. The LOI value can be adjusted by changing the contact temperature and contact time with oxygen during the flameproofing treatment.
[0019]
For example, in one of the preferable methods, a flameproof fiber obtained by flameproofing a polyacrylonitrile fiber in air at 200 to 300 ° C. is used. The polyacrylonitrile fiber used for the flameproofing treatment may be either a long fiber or a short fiber spun, and the yarn may be either a single yarn or a twin yarn. Further, the fiber can be stretched during the flameproofing treatment to improve the toughness of the fiber.
[0020]
(Carbonaceous precursor fiber yarn)
The yarn to be used for weaving may be either a filament yarn or a spun yarn, but a spun yarn is preferred because a dense and uniform woven fabric structure is obtained and the productivity of the yarn is high. As a spinning method for obtaining a spun yarn, any known method can be applied, and examples thereof include spinning methods such as cotton spinning, 2-inch spinning, worsted spinning, spun spinning, and direct spinning. In the case of a polyacrylonitrile-based flameproof fiber, it is preferable to use a spun yarn obtained by spinning a sliver obtained by checking out a continuous filament tow of polyacrylonitrile by eyelash spinning.
[0021]
(Thread type)
The yarn for use in the weaving may be a single yarn, a double yarn, a triple twisted yarn, a filament yarn, or a composite yarn composed of carbonaceous precursor fibers of different raw materials.
The spun yarn may be either a double yarn or a single yarn, but in general, the double yarn has a higher tensile strength than the single yarn, so that a woven fabric with a uniform thickness can be produced. It is preferable because it is possible.
[0022]
(Fine fineness (count))
The fineness of the yarn is metric, usually 14 or more, preferably 16 or more, more preferably 18 or more, and usually 50 or less, preferably 45 or less.
In the case of a single yarn, it is metric, usually 1/14 Nm or more, preferably 1/16 Nm or more, more preferably 1/18 Nm or more, and usually 1/50 Nm or less, preferably 1/45 Nm or less. In the case of twin yarn, it is metric, usually 2/28 Nm or more, preferably 2/32 Nm or more, more preferably 2/36 Nm or more, and usually 2/100 Nm or less, preferably 2/90 Nm or less.
[0023]
When the count is thicker than 1/14 Nm or 2/28 Nm, the number of fluffs per unit length tends to increase. Moreover, when the count is finer than 1/50 Nm or 2/100 Nm, the tensile strength of the yarn tends to be low.
(Number of yarn twists)
The number of twists of the yarn is measured according to JIS L 1095 (general spun yarn test method).
[0024]
The number of twists in the case of single yarn is usually 300 times / m or more, preferably 500 times / m or more, and usually 800 times / m or less, preferably 700 times / m or less per 1 m of yarn length. . The preferred number of twists varies slightly depending on the yarn count, but when the number is less than 300, the number of fluffs of the yarn tends to increase. Moreover, when the number of twists is too large, yarn breakage is likely to occur during twisting. When the number of twists is increased, the number of fluffs is reduced, but when the number of twists is 700 times or more, the effect of fluff reduction by increasing the number of twists is almost saturated.
[0025]
In the case of twin yarns, the number of upper twists is usually 300 times / m or more, preferably 400 times / m or more, and usually 800 times / m or less, preferably 750 times / m or less per 1 m of yarn length. is there. If the number of upper twists is small, the number of fluff tends to increase. In addition, if the number of upper twists is large, the probability of occurrence of yarn breakage during twisting increases, and thickness unevenness may increase. The number of twists is usually 500 times / m or more, preferably 600 times / m or more, and usually 900 times / m or less, preferably 850 times / m or less. If the number of lower twists is small, the number of fluff tends to increase. Moreover, if the number of lower twists is large, the probability of occurrence of yarn breakage tends to increase during twisting.
[0026]
(Weaving)
The above-mentioned polyacrylonitrile-based flameproof fiber, etc., may be used to weave a flameproof carbonaceous precursor fiber to form a flameproof woven fabric, or the polyacrylonitrile-based fiber itself, etc., a carbonaceous precursor that has not been flameproofed. Body fibers may be woven to form a woven fabric, which may be subjected to a flameproofing treatment to provide a flameproofed woven fabric. In this case, the woven fabric may be brought into contact with an oxidizing gas such as air, ozone, or nitrogen oxide, sulfuric acid, nitric acid, or the like to obtain a flame resistant woven fabric having a suitable LOI value.
[0027]
(Weave)
The structure of the woven fabric may be plain weave, oblique weave, satin weave, or any other structure, but since plain weave has the largest number of crossings per unit area of warp and weft, the volume resistivity of the woven fabric is Since it becomes small, it is preferable.
(Background density)
The weft density (the number of warp and weft yarns per unit length) in the case of plain weave is generally 20 to 60 yarns per inch, but specifically, single yarn, double yarn or thick yarn It chooses suitably according to it.
[0028]
(Carbonaceous precursor fiber woven fabric)
The basis weight of the carbonaceous precursor fiber woven fabric, that is, the mass per unit area is usually 50 g / m. 2 Or more, preferably 60 g / m 2 Or more, more preferably 80 g / m 2 In addition, it is usually 350 g / m 2 Or less, preferably 250 g / m 2 It is as follows. If the basis weight is too small, the rigidity and the tensile strength are reduced, and if the basis weight is too large, the eyes are clogged too much and the gas diffusibility is lowered.
[0029]
The thickness of the woven fabric is usually 0.05 mm or more, preferably 0.10 mm or more, more preferably 0.20 mm or more, and usually 5 mm or less, preferably 3 mm or less. If the thickness is too small, the tensile strength is lowered, and if it is too large, the eyes are clogged and the gas permeability is lowered.
The bulk density of the woven fabric is usually 0.2 g / cc or more, preferably 0.25 g / cc or more, and usually 0.8 g / cc or less, preferably 0.7 g / cc or less. If the bulk density is too small, the tensile strength is lowered, and if the bulk density is too large, the eyes are clogged and the gas permeability is lowered.
[0030]
The width of the woven fabric is usually 5 cm or more, preferably 10 cm or more, and is usually 250 cm or less, preferably 200 cm or less, more preferably 100 cm or less. If the width is too small, shrinkage in the width direction of the woven fabric may be increased, resulting in wrinkles and uneven thickness. In addition, if the width is too large, it is difficult to uniformly perform carbonization and graphitization, and in particular, uneven thickness tends to occur due to non-uniform shrinkage during carbonization.
[0031]
The length of the woven fabric is usually 50 cm or more, preferably 100 cm or more, and is usually 300 m or less, preferably 200 m or less. If the length is too short, shrinkage in the length direction (long direction) may increase, wrinkles occur, and thickness unevenness tends to occur. In addition, when the longer length is used for the gas diffusion layer material (when the sealing process is continuously performed by applying a paste containing carbon black as a main component to the woven fabric), the woven fabrics have a longer length. This is preferable because the number of connections (the number of times the ends of the woven fabric are connected) is reduced. However, in actuality, in order to prevent the occurrence of thickness unevenness, it is necessary to reduce the winding tension of a long length of 300 m or more. There is virtually no winding equipment that can be controlled and wound stably from the beginning to the end of winding.
[0032]
(Press working)
Pressing is performed in order to reduce thickness unevenness of the carbonaceous precursor fiber woven fabric. Normally, it is easy to imagine that if the woven fabric after carbonization (graphitization) is pressed as pressing, the unevenness in thickness can be suppressed, but when pressing under mild pressing conditions to maintain the fiber shape Unevenness in thickness increases. On the other hand, if the press conditions are set so as to eliminate unevenness in thickness, the fiber itself cannot maintain its original shape.
[0033]
Therefore, before the carbonization / graphitization treatment is completed (until the completion of the graphitization treatment or until the completion of the carbonization treatment), the press work must be performed. That is, by performing the press working before the heat treatment at a temperature higher than the thermal history of the fibers constituting the woven fabric and higher than the temperature necessary for the carbonization treatment of the fibers, A woven fabric having the following physical properties can be obtained.
[0034]
(Type of press)
Examples of the press for performing the press working include a flat plate press having a flat press surface, a roll press that performs press working with a roll, and the like. A roll type press is preferred because the fabric can be continuously pressed. Moreover, examples of the pressurizing method of the press device include a hydraulic type, a pneumatic type, a spring pressure type, and the like. Any of them may be used, but a hydraulic type capable of high-pressure pressing is generally preferable.
[0035]
(Roll type press)
In a roll type press, generally, a woven fabric is sandwiched between rotating upper and lower rolls made of metal, and the pressing is continuously performed. The diameter of the roll of the roll type press is usually about 10 to 80 cm, and the width of the contact portion between the roll and the woven fabric is about 2 to 10 mm although it varies depending on the roll diameter. Further, the effective length of the roll is preferably about 50 to 200 cm in order to perform press working with uniform pressure. The pressure per roll unit length obtained by applying pressure by hydraulic pressure or the like and dividing the total load by the effective roll length is 50 to 500 kg / cm, preferably 100 to 400 kg / cm. If the thickness is less than 50 kg / cm, the thickness unevenness is reduced, but the reduction amount is small. On the other hand, when it exceeds 500 kg / cm, the fiber of the woven fabric is partially compressed and broken, although it varies slightly depending on the thickness of the woven fabric before pressing, thickness unevenness, yarn thickness, weft density, etc. The strength of the fabric may be significantly reduced. The passing speed of the woven fabric between the pressing rolls varies depending on the pressing pressure, but is usually preferably about 2 to 20 m / min. Outside this range, uniform pressing may not be performed.
[0036]
The number of press processings may be repeated not only once but 2-10 times.
(Flat plate press)
In the case of a flat plate type press, the pressing pressure during pressing is a surface pressure of 20 to 2000 kg / cm. 2 Is preferred. 20kg / cm 2 Even if the thickness is less than the thickness unevenness, the amount of reduction is small. 2000kg / cm 2 Exceeds the thickness of the woven fabric before pressing, thickness unevenness, thread thickness, weft density of the woven fabric, etc. It may be significantly reduced.
[0037]
The time for pressurization at a predetermined pressure is usually preferably 10 seconds to 10 minutes. If it is less than 10 seconds, the effect of reducing thickness unevenness is small. On the other hand, even if it is pressed for a long time exceeding 10 minutes, the effect is small.
In any case, the number of woven fabrics to be pressed with a press is usually one by one, but in order to increase productivity, about 2 to 20 sheets may be stacked and pressed. However, with 20 sheets or more, there are cases where the effect of reducing thickness unevenness is not seen in the woven fabric after press working.
[0038]
In addition, in order to increase the effect of reducing thickness unevenness, the woven fabric before press processing is glued with polyvinyl alcohol, starch paste or the like, or phenol resin, furan resin, polyimide resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, A thermosetting resin such as polyamide resin or a thermoplastic resin dissolved in an organic solvent or a finely pulverized product of these resins may be added.
[0039]
Further, at the time of pressing, the temperature of the pressing surface may be raised to a temperature higher than room temperature (for example, about 50 to 500 ° C., preferably about 100 to 300 ° C.) for pressing. In this case, the above-described resin is melted and cured, and moisture contained in the woven fabric is removed, so that more uniform pressing can be performed.
By pressing as described above, not only the thickness unevenness is reduced, but also a fluff having a length of about several millimeters existing on the surface of the carbon fiber woven fabric, which can be one of the causes of the voltage drop of the fuel cell. The effect of reducing the fluff of can be expected.
[0040]
(Carbonization treatment)
Subsequent to the press processing, carbonization treatment of the carbonaceous precursor fiber woven fabric is performed.
The carbonization treatment may be performed in an inert gas at 400 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, preferably 1300 ° C. or lower. From the viewpoint of the conductivity of the woven fabric, it is preferably heated to 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, and more preferably 900 ° C. or higher.
[0041]
In the carbonization treatment, carbonization is performed at 800 to 1400 ° C via a thermal decomposition temperature of about 300 to 750 ° C. The heating rate during the pyrolysis process is preferably 5 to 300 ° C./min, and the temperature holding time during the carbonization process is preferably 1 minute or more and 4 hours or less. Also, depending on the heat capacity of the heat treatment furnace and the conveying speed of the raw material woven fabric into the furnace, the woven fabric is introduced into the carbonization zone at a constant temperature from the beginning without providing a thermal decomposition zone of 750 ° C. or less, and The temperature that the fabric receives from the carbonization zone may increase the temperature of the woven fabric and cause thermal decomposition, and then carbonization may proceed. The gas atmosphere in the furnace is preferably an inert atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm or less in any case.
[0042]
The carbonization furnace for performing the carbonization treatment may be either a batch heat treatment furnace or a continuous heat treatment furnace. However, a continuous furnace is used because of the advantage that a long woven fabric can be carbonized continuously and uniformly. preferable.
The continuous heat treatment furnace is a horizontal continuous heating furnace or a vertical continuous heating furnace provided with heating means in multiple stages. The horizontal type is more deformed and non-uniformized by the weight of the woven fabric than the vertical type. It is preferable because it is difficult. In-furnace transportation of workpieces is usually carried directly on a metal (steel, stainless steel, etc.) mesh or non-mesh belt and transported at a constant speed by external control of the belt. preferable.
[0043]
(Graphitization treatment)
Subsequent to the carbonization treatment, further graphitization treatment can be performed.
The graphitization temperature is usually 1400 ° C. or higher, preferably 1600 ° C. or higher, and usually 3000 ° C. or lower, preferably 2500 ° C. or lower. If the temperature is 1400 ° C. or higher, the volume resistivity of the woven fabric is further reduced, which is more preferable as a gas diffusion layer material. In addition, the volume resistivity after the heat treatment in the treatment up to about 3000 ° C. is not problematic for use as a gas diffusion layer material.
[0044]
The time for the graphitization treatment is usually 10 minutes or longer, preferably 20 minutes or longer, and is usually 4 hours or shorter, preferably 2 hours or shorter. If the treatment time is less than 10 minutes, graphitization may not be completed uniformly. On the other hand, when the treatment time is long, the productivity and thermal efficiency are low, and the woven fabric may be contaminated with impurities generated from the heat insulating material of the graphitization furnace, the heating element, or the like.
[0045]
(Rigidity imparting process)
By attaching a binder, preferably an organic binder such as resin or pitch, to these carbonaceous fiber woven fabrics, and binding the carbonaceous fibers constituting the woven fabric to each other, the carbonaceous fiber woven fabric according to the present invention. A cloth can be obtained. The organic binder can be attached by, for example, immersing the woven fabric in a solution of the organic binder or applying the solution to the woven fabric.
[0046]
For example, a woven fabric is immersed in a solution in which an organic binder is dissolved in water, methanol, acetone, toluene, xylene, quinoline, N, N-dimethylformamide or the like in an appropriate solvent to adhere the organic binder to the woven fabric, and then dried. After that, it is possible to use a method of curing the organic binder by heating with a hot press, calendar roll, oven or the like. As the organic binder solution used for dipping the woven fabric, a solution having a concentration of usually 0.1 to 10% by weight, preferably about 0.5 to 5% by weight may be used. In addition to simply curing the organic binder, the woven fabric with the organic binder attached may be further heated in an inert atmosphere such as nitrogen or argon to carbonize and further graphitize the organic binder.
[0047]
Examples of the organic binder include phenol resin, furan resin, polyphenylene resin, polyethylene, polystyrene, polyimide, polyamide, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyamide imide, polyether imide, polyether ether ketone, polycarbonate, acetal resin, Polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, bismaleimide resin, thermoplastic polyurethane, ABS resin, AAS resin, poly-4-methyl-1-pentene, poly-1-butene, acrylonitrile-styrene resin, polyvinyl Butyral, silicone resin, unsaturated polyester resin, diallyl phthalate resin, melamine resin, urea resin , Cellulose, epoxy resins, polyesters, coal tar pitch, petroleum pitch, or the like may be used mesophase pitches.
[0048]
Further, rubber-like materials such as ethylene-propylene copolymer rubber, polydiene, polyurethane rubber, natural rubber, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoro Fluorine rubber such as propylene fluorine rubber, fluoroethylene-vinyl ether copolymer (for example, “Lumiflon” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), amorphous perfluoro resin (for example, “Cytop” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) In addition, fluorine-containing resins such as thermoplastic fluororubber (for example, “Dai-L Thermoplastic” manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and soft fluororesin (for example, “Cefral Soft” manufactured by Central Glass Co., Ltd.) can also be used. Among these, it is preferable to use a thermosetting material. In particular, when carbonizing after adhering to a woven fabric, a thermosetting material should be used so that the shape can be maintained during the carbonization treatment, and when using a thermoplastic material, the carbonization treatment is performed. Prior to this, pretreatment such as flameproofing should be performed.
[0049]
In the present invention, when the carbonaceous fibers constituting the woven fabric are bound to each other with the binder or the carbonized product thereof, the binder or the carbonized product does not block the gap of the woven fabric and does not deteriorate the gas diffusibility of the woven fabric. It is important to do so.
For this purpose, the following two methods are suitable.
That is, (1) the surface of the carbonaceous fiber is coated with a relatively small amount of binder or its carbonized product by dipping the woven fabric in a low-concentration binder solution or by applying this solution to the entire surface of the woven fabric. Or (2) a high-concentration binder solution is sprayed on the woven fabric and the binder is adhered to the woven fabric in the form of dots, so that a relatively large amount of the binder or its carbonized carbon fiber is used. May be bound discontinuously.
[0050]
The state of binding of the carbonaceous fiber surface with the binder or carbonized product thereof can be easily confirmed by observing the woven fabric with a transmission electron micrograph.
First, as the above (1), the organic binder is usually immersed in the woven fabric by immersing the woven fabric in a relatively low concentration binder solution of about 0.1 to 20% by weight, preferably about 0.5 to 10% by weight. After adhering and then drying, the organic binder can be cured by heating with a hot press, a calender roll, an oven or the like. Therefore, when a large amount of organic binder is deposited, the organic binder should be carbonized after deposition. In addition, when carbonizing the organic binder adhered to the woven fabric, it is preferable to use an organic binder having a residual ratio after carbonization of 20% or more, particularly 40 to 65%. Further, powdered activated carbon, activated carbon fiber, porous carbon black such as ketjen black, etc. may be mixed in the binder and adhered to the woven fabric. These are preferably mixed in an amount of about 10 to 90% by weight, particularly about 30 to 80% by weight, based on the binder, and this can generally increase the rigidity of the carbon fiber woven fabric finally obtained. In this case, the content of the binder or carbonized product thereof in the obtained carbonaceous fiber woven fabric is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.05% by weight or more. Further, it is usually 30% by weight or less, preferably 25% by weight or less, more preferably 20% by weight or less, and further preferably 10% by weight or less.
[0051]
If the content of the binder or the carbonized product is large, the gas permeability of the woven fabric tends to be impaired. Therefore, it can be said that it is preferable that the content is small as long as rigidity and the like are satisfied. From this viewpoint, the content of the binder or its carbonized product is preferably 16% by weight or less, more preferably 10% by weight or less, and particularly preferably 5% by weight or less.
[0052]
Next, as a method of discontinuously binding carbonaceous fibers with the binder or the carbonized product thereof in the above (2), the following can be mentioned. First, it is preferable to select a thermosetting resin such as a phenol resin, a furan resin, an unsaturated polyester resin, a urea resin, an epoxy resin, a melamine resin, a diallyl phthalate resin, or a silicone resin as the kind of binder or carbonized product thereof. This thermosetting resin is usually an average particle size of 3 μm or more, preferably an average particle size of 10 μm or more, and usually an average particle size of 50 μm or less, preferably an average particle size of 30 μm or less (the maximum particle size is usually 200 μm or less). , Preferably 150 μm or less, and minimum particle size is usually 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more) as a dispersion of semi-cured resin fine particles, sprayed or applied to a woven fabric, suitably dried and pressed, It can be produced by heating and complete curing.
[0053]
The semi-cured resin refers to a resin having a dissolution amount of 30 to 97% by weight, especially 70 to 95% by weight when the resin is boiled with a large excess of methanol. If the thermosetting resin is completely cured, it does not substantially dissolve even in a large excess of methanol, but if it does not reach complete curing, it partially dissolves, so the degree of cure can be expressed by the amount dissolved.
[0054]
Drying is usually performed at 50 to 170 ° C., preferably 90 to 160 ° C., and complete curing is not less than the curing temperature of the thermosetting resin to be used, and is usually 120 to 400 ° C., preferably 180 to 330 ° C. Just do it.
The thermosetting resin is particularly preferably a semi-cured product of a phenol resin and a modified phenol resin, considering heat resistance, chemical stability, conductivity, and the like.
[0055]
When a large amount of organic binder is deposited, the organic binder should be carbonized after deposition. In addition, when carbonizing the organic binder adhered to the woven fabric, it is preferable to use an organic binder having a residual ratio after carbonization of 20% or more, particularly 40 to 65%. Further, powdered activated carbon, activated carbon fiber, porous carbon black such as ketjen black, etc. may be mixed in the binder and adhered to the woven fabric. These are preferably mixed in an amount of about 10 to 90% by weight, particularly about 30 to 80% by weight, based on the binder, and this can generally increase the rigidity of the carbon fiber woven fabric finally obtained. In this case, the content of the binder or the carbonized product thereof in the obtained carbon fiber woven fabric is usually 10% by weight or more, preferably 20% by weight or more, and usually 40% by weight or less, preferably 35% by weight. Hereinafter, it is more preferably 30% by weight or less.
[0056]
A woven fabric with increased rigidity using a semi-cured product of such a thermosetting resin as a binder can bind carbon-fibres in a point contact with the semi-cured product. As in the case where it is used, not only the adhesion between the carbonaceous fibers but also the increase in electric resistance generated because the resin covers the surface of the fibers is preferable.
When the woven fabric obtained by weaving the flame resistant fiber is carbonized and further graphitized, the fibers can be fused together to produce the carbonaceous fiber woven fabric according to the present invention without using a binder. However, in the same manner as described above, a binder may be added to the woven fabric obtained in this manner to bind the carbonaceous fibers constituting the woven fabric to each other. In addition, the carbonization of the woven fabric and the carbonization of the organic binder can be performed simultaneously by attaching an organic binder to the flameproof fiber woven fabric before carbonization treatment. The organic binder may be appropriately selected from those described above.
[0057]
In addition, the carbonization conditions of the above-mentioned resin binder are normally 400-2200 degreeC, Preferably it is 700-1600 degreeC, More preferably, it is 800-1200 degreeC, Usually 1 minute-5 hours, Preferably it is 10-30 minutes It is.
(Other processing)
The carbonaceous fiber woven fabric obtained above consists essentially of carbonaceous fibers, but contains the binder or carbonized product thereof, and further includes powdered activated carbon, conductive carbon black, Conductive substances such as carbonized products of various pitches can also be included. For example, pitch is dissolved in an organic solvent to form a pitch solution, and powdered activated carbon or conductive carbon black suspended therein is applied to the woven fabric obtained above, and then heated in an inert gas. The pitch is carbonized. Even in that case, the proportion of carbonaceous fibers in the woven fabric is usually 60% by weight or more, and preferably 80% by weight or more.
[0058]
The carbon fiber woven fabric obtained as described above can be used as it is as a material for a gas diffusion layer of a fuel cell, but it can be further processed and used as a material for a gas diffusion layer. For example, in order to prevent the deterioration of battery characteristics by holding moderate moisture in the membrane electrode body constituting the battery or by adsorbing and removing impurities contained in the fuel and oxidant supplied to the battery, The carbonaceous fiber woven fabric is brought into contact with water vapor or carbon dioxide of about 800 to 1200 ° C. or air of about 300 to 500 ° C., and a part of the carbonaceous material is gasified to generate fine pores in the carbonaceous fiber, It can be set as the woven fabric which consists of a porous carbonaceous fiber.
[0059]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric)
The basis weight of the obtained carbon fiber woven fabric is 50 g / m. 2 Or more, preferably 60 g / m 2 Or more and 200 g / m 2 Or less, preferably 180 g / m 2 It is as follows. If the weight per unit area is too small, the tensile strength becomes small and the gas diffusion layer material cannot be used. If the basis weight is too large, the gas permeability is too small.
[0060]
The bulk density (g / cc) of the carbon fiber woven fabric is obtained by dividing the basis weight of the woven fabric by the thickness of the woven fabric. The bulk density of the woven fabric is 0.2 g / cc or more, preferably 0.25 g / cc or more, and 0.6 g / cc or less, preferably 0.55 g / cc or less. If the bulk density is less than 0.2 g / cc, the tensile strength of the woven fabric is weak and impractical. On the other hand, if the bulk density is too large, gas diffusibility is lowered.
[0061]
The volume specific resistance in the plane direction of the carbon fiber woven fabric is 0.2 Ωcm or less, preferably 0.15 Ωcm or less, more preferably 0.10 Ωcm or less. This value is preferably as low as possible, but if it is about 0.05 Ωcm or less, the volume resistivity is sufficiently low as a gas diffusion layer material.
The fineness of the yarn constituting the woven fabric is metric, usually 16 or more, preferably 18 or more, more preferably 20 or more, and usually 60 or less, preferably 55 or less.
[0062]
In the case of a single yarn, it is metric, usually 1/16 Nm or more, preferably 1/18 Nm or more, more preferably 1/20 Nm or more, and usually 1/60 Nm or less, preferably 1/55 Nm or less. In the case of twin yarn, it is metric, usually 2/32 Nm or more, preferably 2/36 Nm or more, more preferably 2/40 Nm or more, and usually 2/120 Nm or less, preferably 2/110 Nm or less.
[0063]
When the count is thicker than 1/16 Nm or 2/32 Nm, the number of fluffs per unit length tends to increase. Further, when the count is smaller than 1/60 Nm or 2/120 Nm, the tensile strength of the yarn tends to be low.
The carbonaceous fiber is obtained through a process of spinning, flame resistance, carbonization (graphitization), and the fineness is about 10 to 20% in the process of carbonizing and further graphitizing the flame resistant thread. Decrease. In the present invention, the fineness of the yarn constituting the woven fabric is about the yarn of the finally obtained woven fabric, and can be measured by extracting the yarn from the woven fabric and measuring it.
[0064]
The weft density (number of warp and weft per unit length) of plain weave carbon fiber is about 10 in the process of carbonizing and graphitizing the yarn (flame-resistant yarn) constituting the woven fabric. In general, the number is 30 to 70 per inch. Specifically, the number is appropriately selected according to whether single yarn or double yarn or the thickness of the yarn. For example, the weft density when 2/40 Nm spun yarn is used for the warp and weft is usually 100 to 300/10 cm for both the warp and weft per 10 cm length of the woven fabric, preferably 180 ˜250 / 10 cm. Further, when the gap between the warp yarn and the weft yarn is observed with a scanning electron microscope, the hole diameter corresponding to the gap between the yarns is 10 to 150 μm when used for the gas diffusion layer of the fuel cell. It is preferable for ensuring water retention and drainage.
[0065]
One example of a preferred woven fabric is obtained by plain weaving 40-60 count yarns composed of single fibers having a diameter of 7-10 μm at a density of 30-70 warps and wefts per inch. .
The thickness (average value) and thickness unevenness (coefficient of variation) of the carbonaceous fiber woven fabric are obtained as follows. A square with sides in the warp and weft directions is cut out from the woven fabric so as not to include a portion up to 5 mm from the end, preferably up to 10 mm, and divided into 20 equal parts, each of which is divided into two equal parts. Measure the thickness of the point woven fabric. An average value and a coefficient of variation in thickness (standard deviation of woven fabric thickness / average value of woven fabric thickness x 100%) are determined from the measured values. The size of the woven fabric to be cut out varies depending on the width of the woven fabric, but it is standard to cut into a square with a fabric width of 40 to 98% excluding the end portion, with a fabric width of about 70 to 90%. Although not limited, a 10-40 cm square is preferable.
[0066]
Thickness measurement is about 10 g / cm for a disk-shaped terminal with a diameter of 5 mm. 2 The thickness is measured by contacting the surface of the woven fabric with a load of. The above measurement is performed every 5 to 50 m so as not to include a portion up to 5 mm from the end, preferably 10 mm in the length direction of the woven fabric, but when the woven fabric length is less than 5 m, The thickness of the carbon fiber woven fabric and the coefficient of variation of the thickness are obtained from the value measured by cutting one arbitrary point into a square. If the length is 5 m or more, divide into 5 equal parts in the length direction, and calculate the thickness and coefficient of variation of the thickness for a total of 5 points obtained by cutting one arbitrary point from each of them into squares. The thickness of the long carbon fiber woven fabric and the coefficient of variation of the thickness.
[0067]
The thickness of the carbon fiber woven fabric is 0.05 mm or more, preferably 0.1 mm or more, and 2 mm or less, preferably 1 mm or less, more preferably 0.35 mm or less. If the thickness is less than 0.05 mm, the tensile strength is small and the gas diffusion layer material is insufficient. On the other hand, if the thickness exceeds 2 mm, the gas permeability is lowered and the gas diffusion layer material is insufficient.
[0068]
The variation coefficient of the thickness of the carbon fiber woven fabric is 3.2% or less, preferably 3% or less, more preferably 2.8% or less. Since the binder adhering to the rigidity imparting treatment or the carbonized material thereof enters the portion where the thickness unevenness occurs and the coefficient of variation is improved, it is usually 2.5% or less, preferably 2.3% or less, more Preferably it is 2% or less. A smaller coefficient of variation is better, but about 1% is sufficient.
[0069]
(Cross-sectional shape of warp and weft constituting the woven fabric)
In a normal woven fabric that is not pressed, the overall cross-sectional shape of the yarn after weaving can be approximated by a substantially circular shape or an ellipse having a major axis / minor axis ratio close to 1. On the other hand, the cross-sectional shape of the yarn of the woven fabric after press working can be approximated by an ellipse having a major axis in the surface direction, a minor axis in the thickness direction, and a major axis / minor axis ratio of 2 or more.
[0070]
The method for observing the cross-sectional shape of the yarn in the woven fabric is not particularly limited. For example, a photograph in which the fractured surface of the woven fabric is cut parallel to the warp or weft, and the cut cross-section is photographed with a microscope such as a scanning electron microscope. Can be obtained from It is possible to use scissors with sharp blades for cutting the woven fabric, but in addition, the woven fabric is embedded in a thermosetting resin with small dimensional change after curing, completely cured, and then the fracture surface May be cut out with a cutting tool and used as an observation target sample.
[0071]
The ratio of the major axis / minor axis ratio of the warp and weft yarns that make up the woven fabric may vary slightly depending on the thickness of the yarn (yarn count), the number of twisted yarns, twin or single yarn, or the weft density of the woven fabric. Although different, it must be 2 or more, preferably 2.5 or more, more preferably 3 or more. When the ratio of major axis / minor axis is less than 2, the effect of reducing thickness unevenness is small. The ratio of major axis / minor axis is usually 10 or less, preferably 8 or less. When the ratio exceeds 10, a portion where the thickness of the woven fabric becomes extremely thin occurs, and the thickness unevenness may increase.
[0072]
The measured values of the major axis and minor axis are slightly different depending on the thickness of the yarn (yarn count), the number of twisted yarns, twin yarn or single yarn, or the weft density of the woven fabric, but the major axis is usually 200 to 800 μm. The minor axis is usually 80 to 200 μm.
(Gas permeability)
The gas permeability was measured by an air permeability test (Fragile type method) of JIS L 1096 (General Textile Test Method). The measured value of gas permeability obtained by this evaluation method reflects the degree of gas permeability and water retention when carbonaceous fibers are used as the gas diffusion layer material for fuel cells.
[0073]
The gas permeability of woven fabric is usually 200cm Three / Cm 2 -Sec or less, preferably 150cm Three / Cm 2 -Sec or less. The lower the gas permeability, the better the water retention, but for use as a gas diffusion layer material, 30 cm Three / Cm 2 -50 cm or more when used in high output applications that require generation of a large current instantly, such as solid polymer fuel cells for automobiles, over a sec. Three / Cm 2 -More than sec is preferable.
[0074]
(Size of carbon fiber monofilament)
The diameter of the single fiber of the carbonaceous fiber is usually 6 to 50 μm, preferably 6 to 30 μm. In particular, a woven fabric obtained from a spun yarn composed of a single fiber having a diameter of 7 to 15 μm is preferable because thickness unevenness is hardly generated by the above carbonization treatment and graphitization treatment.
(Flexibility index value)
In the carbon fiber woven fabric of the present invention, the stiffness index value (L) based on the 45 ° cantilever method needs to be 6 cm or more. The stiffness index value (L) according to the 45 ° cantilever method is an index of the flexibility (flexibility) of the woven fabric defined in JIS L 1096.
[0075]
In the measurement of the stiffness index value by the 45 ° cantilever method, a test piece sampled at a size of 2 cm × about 15 cm is placed on a smooth horizontal table with a 45-degree inclined surface at one end and the short side of the test piece. To the scale baseline. Next, the test piece is gently slid in the direction of the slope, and when the center point of one end of the test piece is in contact with the inclined surface, the position of the other end is read with a scale. The bending resistance is indicated by the length of the test piece thus obtained.
[0076]
A normal carbon fiber woven fabric is flexible, and an index value (L) of a woven fabric having a thickness of 0.05 to 1 mm is usually 5 cm or less. The carbonaceous fiber woven fabric according to the present invention has an index value (L) of 6 or more by fusing or binding the fibers forming the woven fabric. The index value (L) is preferably 8 cm or more.
In addition, the bending resistance index value (L) by the 45 ° cantilever method has a maximum value of about 15 cm in the JIS standard, but by increasing the length of the test piece to be longer than 15 cm, the index value of the one with higher rigidity is obtained. Therefore, if the stiffness index value (L) is 30 cm or less, it is generally allowed as an index of rigidity in accordance with JIS standards. The carbonaceous fiber woven fabric according to the present invention preferably has a bending resistance index value (L) of 25 cm or less based on the 45 ° cantilever method.
[0077]
JIS L 1096 describes the Clark method for evaluating the rigidity of a sample having a higher rigidity than the 45 ° cantilever method.
In the Clark method, a test piece sampled in a size of 2 cm x 15 cm to 25 cm is sandwiched between two rollers of a Clark type tester, the handle is turned left and right, and the angle scale plate indicates when the test piece falls to the left or right. Adjust the length overhanging the roller so that the sum of the left and right angles is 90 ° ± 2 °, and measure the length at that time.
[0078]
As for the Clark method, as in the 45 ° cantilever method, the maximum value of the stiffness index value (L) is about 25 cm, but if it is 40 cm or less, it is generally accepted as an index of rigidity in accordance with JIS standards. Yes. When the preferred upper limit of 25 cm of the bending resistance index value of the carbon fiber woven fabric of the present invention is represented by the bending resistance index value (L) based on the Clark method, it is about 35 cm.
[0079]
When a carbon fiber woven fabric is used as a gas diffusion layer material for a fuel cell, if the stiffness is too strong, the woven fabric is difficult to be wound and difficult to handle. As an index for evaluating the rigidity of a sample having a higher rigidity (hardness) than the Clark method, it is possible to make a numerical value based on a bending elastic modulus by a bending stiffness test using an Olsen-type testing machine. Although there is a slight difference depending on the thickness, this flexural modulus is 1 × 10 Four kgf / cm 2 If it exceeds the upper limit, although it depends on the roll diameter, it is not suitable for use in a fuel cell because it is broken by winding. For example, a woven fabric that cracks or cracks when wound on a roll having an outer diameter of 10 cm cannot be used as a gas diffusion layer material for a fuel cell. However, if the stiffness index value (L) conforming to the 45 ° cantilever method is 25 cm, and the stiffness index value (L) conforming to the Clark method is approximately 35 cm, the diameter is 3 inches (76 mm). Since it has a winding property that can be wound on a winding core, it is suitable for practical use.
[0080]
(Degree of fluff of carbon fiber woven fabric)
A carbonaceous fiber woven fabric having less fuzz is preferable in terms of electrical characteristics. The degree of fluffing can be measured by the fuzz adhesion test method (QTEC cello tape (R) method) described below.
That is, a cellophane tape with a width of 18 mm is applied to a plastic plate with a smooth surface at 40 gf / cm. 2 Cellophane tape having a peel strength of 350 ± 25 gf according to the JIS L 1089 test method (for example, cello tape (R) of Nichiban Co., Ltd. having a width of 18 mm, product number CT-18 or LP-18) Is applied to a fiber woven fabric which is a sample to be measured, and 40 gf / cm. 2 The operation of applying the load of No. 5 and leaving it for 5 seconds and peeling it off is repeated with the same tape at five points in the same direction in the vertical or horizontal direction of the woven fabric. The amount of fluff adhering to the cellophane tape is judged by comparing with the fluff adhesion test judgment scale (1-5 grade) established by Japan Textile Products Quality Technology Center (abbreviation QTEC).
[0081]
In this evaluation method, the first class has the largest fluff amount of the fiber woven fabric, and the higher the series, the smaller the fluff amount. Grade 5 has the least fluff. The evaluation series is expressed as a 2-3 class (2.5 class) between integer series, for example, between the 2nd class and the 3rd class.
The carbonaceous fiber woven fabric according to the present invention preferably has a fuzziness of 2nd grade or higher in this fluff adhesion test method. Particularly preferred are those of grade 3 or higher, particularly those of grade 3-4 (3.5 grade) or higher. When the fuzziness is not achieved to the second grade, a large amount of carbonaceous fibers protrudes from the surface of the carbonaceous fiber woven fabric, and therefore, when used for a gas diffusion layer of a fuel cell, a short circuit is likely to occur.
[0082]
(Metallic impurities in carbon fiber woven fabric)
The metal impurities in the woven fabric are preferably reduced as much as possible because they cause a decrease in battery characteristics due to an electrolysis reaction of generated water during the operation of the fuel cell. For example, it is preferable that iron is 50 μg / g or less, nickel is 50 μg / g or less, and sodium is 100 μg / g or less. The content of the metal impurities in the woven fabric can be reduced by washing the woven fabric or the carbonaceous fiber of the raw material, and further the raw material yarn with an acid such as hydrochloric acid or acetic acid.
[0083]
(Gas diffusion layer material for polymer electrolyte fuel cells)
The carbonaceous fiber woven fabric of the present invention can be suitably used as a gas diffusion layer of a fuel cell. For example, a paste obtained by mixing a dispersion of polytetrafluoroethylene, a catalyst, and carbon black is applied to a polymer solid electrolyte membrane to form a joined body of the polymer solid electrolyte membrane and the catalyst layer. A membrane electrode body can be formed by bonding the carbon fiber woven fabric of the present invention as a gas diffusion layer. Formation of a joined body of a solid polymer electrolyte membrane and a catalyst layer is performed by applying a paste of polytetrafluoroethylene dispersion, catalyst and carbon black on a release sheet to form a catalyst layer. It can also be formed by joining the molecular solid electrolyte membrane by hot pressing. Conversely, a catalyst paste is applied to the carbon fiber woven fabric of the present invention to form a joined body of the gas diffusion layer and the catalyst layer, and this is joined to the polymer solid electrolyte membrane by hot pressing to form a membrane electrode A body can also be formed. Regardless of which method is used, the carbonaceous fiber woven fabric of the present invention has moderate rigidity and is easy to handle.
[0084]
The polymer electrolyte fuel cell using the carbon fiber woven fabric of the present invention is suitably used as a power source for automobiles or a power source for cogeneration power generation systems.
[0085]
【Example】
Next, specific embodiments of the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
[Comparative Example 1]
(Carbonaceous precursor fiber woven fabric)
A polyacrylonitrile flame-resistant spun yarn having a LOI value of 50 of metric count 40 count double yarn (2/40 Nm) was made into a plain weave. The woven fabric has a width of 100 cm and a length of 150 m, a thickness of 0.318 mm (average value), and a basis weight of 171 g / m. 2 (Average value) and bulk density were 0.538 g / cc.
[0086]
(Press processing)
The carbonaceous precursor fiber woven fabric is brought into contact with the gap between the upper roll and the lower roll of the roll type press at a contact pressure of 300 kg / cm, and the woven fabric is passed once at a conveying speed of 10 m / min and pressed. Processing was performed.
The thickness of the woven fabric after press working is 0.299 mm (average value), and the basis weight is 171 g / m. 2 (Average value) and bulk density were 0.572 g / cc.
[0087]
(Carbonization treatment)
The carbonaceous precursor fiber woven fabric after press working was cut out with a width of 50 cm, and carbonized at 950 ° C. in a horizontal continuous carbonization furnace under a nitrogen atmosphere.
(Physical properties of carbon fiber woven fabric after carbonization)
The physical properties of the carbonaceous fiber woven fabric after carbonization were measured according to the method described above. However, in order to measure the thickness of the woven fabric, the square size cut out with the warp and weft directions of the woven fabric as sides was 40 cm square.
[0088]
The carbonized fiber woven fabric after carbonization has a thickness of 0.234 mm, a thickness variation coefficient of 2.6%, and a basis weight of 112 g / m. 2 The bulk density is 0.479 g / cc, the volume resistivity is 0.12 Ωcm, and the gas permeability is 98 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn was 5.5 warp and 5.7 weft.
(Graphitization treatment)
The carbonized carbon fiber woven fabric after carbonization was graphitized in a vacuum graphitization furnace at 2000 ° C. or higher to obtain a graphitized woven fabric.
[0089]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric after graphitization)
The physical properties of the carbonized fiber woven fabric after graphitization were measured according to the method described above. However, in order to measure the thickness of the woven fabric, the square size cut out with the warp and weft directions of the woven fabric as sides was 40 cm square.
The thickness of the carbonized fiber woven fabric after graphitization is 0.208 mm, the coefficient of variation in thickness is 2.6%, and the basis weight is 96 g / m. 2 The bulk density is 0.462 g / cc, the volume resistivity is 0.02 Ωcm, and the gas permeability is 92 cm. Three / Cm 2 -The ratio of sec, the major axis / minor axis of the yarn was warp 5.0 and weft 5.2, the stiffness index (L) was 4 cm, and the fluffiness was grade 2.
[0090]
[Example 1]
A graphitized carbonaceous fiber woven fabric was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 until the graphitization treatment.
(Rigidity imparting process)
The obtained carbonized fiber woven fabric after graphitization was immersed in an ethanol solution of a phenol resin (resole type) having a concentration of 8% by weight. After drying at 130 ° C., hot pressing was performed at 330 ° C., and the resin was cured to obtain a carbonaceous fiber woven fabric.
[0091]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric after applying rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.226 mm, the variation coefficient of the thickness is 2%, and the basis weight is 110 g / m. 2 The bulk density is 0.487 g / cc, the volume resistivity is 0.07 Ωcm, and the gas permeability is 80 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn is 5.0 for both the warp and the weft, the stiffness index (L) is 10 cm, the fluffiness is 3-4 grade, and the amount of binder attached is 15% by weight. It was. In addition, since carbon fiber woven fabric shrinks slightly when impregnated with phenol resin and then dried and cured, the phenol resin adhesion amount per unit area of the product is larger than the adhesion amount before hot pressing.
[0092]
[Example 2]
(Rigidity imparting process)
Carbonization treatment was performed at 980 ° C. in a horizontal continuous furnace under a nitrogen gas atmosphere using the resin-cured carbonaceous fiber woven fabric obtained in Example 1 to obtain a carbonaceous fiber woven fabric.
(Physical properties of carbon fiber woven fabric with added rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.221 mm, the variation coefficient of thickness is 1.9%, and the basis weight is 104 g / m. 2 The bulk density is 0.471 g / cc, the volume resistivity is 0.03 Ωcm, and the gas permeability is 85 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn is 4.9 warp, 5.1 weft, 9 cm stiffness index, 3-4 fluffiness, and 8% by weight of binder carbonized product. It was.
[0093]
[Example 3]
A graphitized carbonaceous fiber woven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 until the graphitization treatment.
(Rigidity imparting process)
After curing the resin, which was subjected to rigidity treatment in the same manner as in Example 1 except that the obtained graphitized carbon fiber woven fabric was immersed in an ethanol solution of a phenol resin (resole type) having a concentration of 15% by weight. Carbon fiber woven fabric was obtained. Further, the obtained cured carbonaceous woven fabric was carbonized at 980 ° C. in the same manner as in Example 2 to obtain a carbonaceous woven fabric.
[0094]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric with added rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.225 mm, the variation coefficient of the thickness is 1.4%, and the basis weight is 115 g / m. 2 The bulk density is 0.511 g / cc, the volume resistivity is 0.02 Ωcm, and the gas permeability is 85 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn was 5.1 for both the warp and weft, the stiffness index value was 12 cm, the fuzziness was 3-4 grade, and the adhesion amount of the binder carbonized product was 19% by weight.
[0095]
[Example 4]
A graphitized carbonaceous fiber woven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 until the graphitization treatment.
(Rigidity imparting process)
The obtained carbonized fiber woven fabric after graphitization is added to an aqueous dispersion of a phenol resin semi-cured product having a concentration of 10% by weight and an average particle diameter of 20 μm (the solubility of the phenol resin semi-cured product when boiling in methanol is 95%) Soaked. After drying at 100 ° C. for 60 minutes, hot pressing was performed at 300 ° C. to cure the resin and obtain a carbonaceous fiber woven fabric.
[0096]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric with added rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.220 mm, the variation coefficient of the thickness is 1.4%, and the basis weight is 105 g / m. 2 The bulk density is 0.477 g / cc, the volume resistivity is 0.05 Ωcm, and the gas permeability is 85 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn was warp 5.0, weft 5.2, stiffness index 12 cm, fluff 3-4 grade, and the amount of binder carbonized material deposited was 10 wt%. It was.
[0097]
When the obtained carbonaceous fiber woven fabric was cut out with a size of 5 mm × 5 mm square, taken with a scanning electron micrograph and observed, most of the resin component had a spherical shape of about 1 to 10 μm. Most of these were present in a form of point contact between carbonaceous fibers. In addition, it was not observed that the surface of the carbonaceous fiber was coated with the resin.
[0098]
[Example 5]
(Rigidity imparting process)
The carbonized fiber woven fabric after resin curing obtained in Example 4 was subjected to carbonization treatment at 980 ° C. in a horizontal continuous furnace under a nitrogen gas atmosphere to obtain a carbonaceous fiber woven fabric.
(Physical properties of carbon fiber woven fabric with added rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.215 mm, the variation coefficient of the thickness is 1.5%, and the basis weight is 101 g / m. 2 The bulk density is 0.470 g / cc, the volume resistivity is 0.02 Ωcm, and the gas permeability is 90 cm. Three / Cm 2 -Sec, the ratio of major axis / minor axis of the yarn was warp 4.8, weft 4.9, stiffness index value 10 cm, fuzziness degree 3 and the amount of binder carbonized material deposited was 5% by weight.
[0099]
[Comparative Example 2]
A graphitized carbonaceous fiber woven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 until the graphitization treatment.
(Rigidity imparting process)
The carbonaceous fiber subjected to the stiffness treatment in the same manner as in Example 1 except that the obtained graphitized carbon fiber woven fabric was immersed in an ethanol solution of a phenol resin (resole type) having a concentration of 40% by weight. A woven fabric was obtained.
[0100]
(Physical properties of carbon fiber woven fabric with added rigidity)
The thickness of the carbon fiber woven fabric after the rigidity imparting treatment is 0.265 mm, the variation coefficient of the thickness is 3.1%, and the basis weight is 170 g / m. 2 The bulk density is 0.641 g / cc, the volume resistivity is 0.21 Ωcm, and the gas permeability is 25 cm. Three / Cm 2 -The ratio of sec, the major axis / minor axis of the yarn was 4.2 for both the warp and weft, the stiffness index value was 15 cm, the fluffiness was 3-4 grade, and the amount of the binder carbonized product was 78% by weight.
[0101]
[Comparative Example 3]
A graphitized carbonaceous fiber woven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pressing process and the rigidity imparting process were not performed.
(Physical properties of carbon fiber woven fabric after graphitization)
The thickness of the carbonized fiber woven fabric after graphitization is 0.246 mm, the coefficient of variation in thickness is 3.5%, and the basis weight is 101 g / m. 2 The bulk density is 0.411 g / cc, the volume resistivity is 0.02 Ωcm, and the gas permeability is 105 cm. Three / Cm 2 -Sec, the volume resistivity was 0.02 Ωcm, the ratio of the major axis / minor axis of the yarn was warp 1.8, weft 1.9, the bending resistance index was 4 cm, and the fluffiness was grade 1-2.
[0102]
【The invention's effect】
According to the present invention, properties such as gas permeability, conductivity, water retention, drainage, etc. are balanced, thickness unevenness is small, and it has an appropriate rigidity, and is suitable as a gas diffusion layer material for a polymer electrolyte fuel cell. Carbon fiber woven fabric is provided.

Claims (12)

主として炭素質繊維の糸で構成された織布であって、
前記織布は、炭素質前駆体繊維織布をプレス加工し、次いで、当該炭素質前駆体繊維織布を炭素化処理し、その後、バインダー又はその炭素化物を付着させることにより調製され、且つ、目付量が50〜200g/m、厚さが0.05〜2mm、嵩密度が0.47〜0.6g/cc、面方向の体積固有抵抗が0.2Ωcm以下であり、該織布をその縦糸方向及び横糸方向を辺とする正方形に切りだしたとき、その対角線2本をそれぞれ11等分した合計20個の分割点における織布の厚さの変動係数が3.2%以下であり、織布を構成する縦糸及び横糸はその断面の長径が短径の2倍以上であり、かつ、45゜カンチレバー法に準拠した剛軟性指数値(L)が6cm以上、織布のガス透過性が30〜200cm /cm であることを特徴とする炭素質繊維織布。
A woven fabric mainly composed of carbonaceous fiber threads,
The woven fabric is prepared by pressing a carbonaceous precursor fiber woven fabric, then carbonizing the carbonaceous precursor fiber woven fabric, and then attaching a binder or a carbonized product thereof, and The basis weight is 50 to 200 g / m 2 , the thickness is 0.05 to 2 mm, the bulk density is 0.47 to 0.6 g / cc, and the volume resistivity in the surface direction is 0.2 Ωcm or less. When the warp yarn direction and the weft yarn direction are cut into squares with sides, the variation coefficient of the thickness of the woven fabric at a total of 20 division points obtained by dividing the two diagonal lines into 11 equal parts is 3.2% or less. The warp and weft yarns that make up the woven fabric have a cross-section whose major axis is at least twice that of the minor axis, and the stiffness index value (L) in accordance with the 45 ° cantilever method is 6 cm or more . that but a 30~200cm 3 / cm 2 Carbonaceous fiber woven fabric and butterflies.
糸繊度がメートル番手で16〜60番手の糸で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の炭素質繊維織布。2. The carbonaceous fiber woven fabric according to claim 1, wherein the carbon fine fiber woven fabric is composed of 16 to 60 yarns having a meter fineness. 炭素質繊維がバインダー又はその炭素化物により表面被覆されて互に結着されており、かつバインダー又はその炭素化物の含有量が0.01〜30重量%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭素質繊維織布。Claim 1 or, characterized in that are mutually bound is surface-coated carbonaceous fibers by the binder or a carbonized material, and the content of the binder or the carbonized product is 0.01 to 30 wt% 2. The carbonaceous fiber woven fabric according to 2. 炭素質繊維が点在するバインダー又はその炭素化物により互に結着されており、かつバインダー又はその炭素化物の含有量が10〜40重量%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。4. The binder according to claim 1, wherein the carbonaceous fibers are bound to each other by a dotted binder or a carbonized product thereof, and the content of the binder or the carbonized product thereof is 10 to 40% by weight. carbonaceous fiber woven fabric according to item 1 or. 毛羽立ちの度合いが、毛羽付着試験法による判定指標で2級〜5級であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。The degree of fuzz, carbonaceous fiber woven fabric according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a secondary 5 grade in determination index by fluff adhesion test method. 織布の組織が平織であり、かつ、その縦糸及び横糸の経緯密度が長さ1インチ当たり30〜70本であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。Woven tissue is plain weave, and, carbonaceous according to any one of claims 1 to 5, wherein the history density of the warp and weft are from 30 to 70 lines per inch long Textile woven fabric. 炭素質繊維の単繊維の直径が6〜50μmであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。Carbonaceous fiber woven fabric according to any one of claims 1 to 6, wherein the diameter of a single fiber of carbonaceous fibers is 6~50Myuemu. 織布を構成する糸が紡績糸であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。Carbonaceous fiber woven fabric according to any one of claims 1 to 7, the yarn constituting the woven fabric is characterized in that it is a spun yarn. 織布を構成する縦糸及び/又は横糸が双糸であることを特徴とする請求項に記載の炭素質繊維織布。9. The carbonaceous fiber woven fabric according to claim 8 , wherein the warp and / or the weft constituting the woven fabric is a twin yarn. 織布を構成する糸が、メートル番手2/32〜2/120Nmの双糸、又はメートル番手1/16〜1/60Nmの単糸であることを特徴とする請求項に記載の炭素質繊維織布。The carbonaceous fiber according to claim 8 , wherein the yarn constituting the woven fabric is a twin yarn having a metric count of 2/32 to 2/120 Nm, or a single yarn having a metric count of 1/16 to 1/60 Nm. Woven cloth. 炭素質繊維が、アクリロニトリルを含むモノマーの重合体を紡糸して得たアクリル系繊維の炭素化物であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の炭素質繊維織布。Carbonaceous fiber, carbonaceous fiber woven fabric according to any one of claims 1 to 10, characterized in that a carbonized product of acrylic fiber obtained by spinning a polymer of a monomer containing acrylonitrile. アクリロニトリルを含むモノマーの重合体からなる炭素質前駆体繊維を紡糸したメートル番手2/32〜2/120Nmの双糸又はメートル番手1/16〜1/60Nmの単糸を用いて製織した炭素質前駆体繊維織布をプレス加工し、
前記プレス加工された前記炭素質前駆体繊維織布を温度900℃以上の温度で炭素化処理を行うことにより炭素質繊維織布を調製し、
前記炭素化処理することにより得られた前記炭素質繊維織布を構成する炭素質繊維にバインダー又はその炭素化物の含有量が0.01〜30重量%となるように当該バインダー又はその炭素化物を付着させ当該炭素質繊維を互いに結着させることにより、嵩密度が0.47〜0.6g/cmであり且つ45゜カンチレバー法に準拠した剛軟性指数値(L)が6cm以上である炭素質繊維織布を調製する
ことを特徴とする炭素質繊維織布の製造方法
Carbonaceous precursor which is woven using a single yarn of ply yarns or metric count 1 / 16~1 / 60Nm of metric count 2/32 to 2/120 Nm spun carbonaceous precursor fibers made of polymer of a monomer containing acrylonitrile We press body fiber woven fabric,
A carbonaceous fiber woven fabric is prepared by performing a carbonization treatment on the pressed carbonaceous precursor fiber woven fabric at a temperature of 900 ° C. or higher.
The binder or its carbonized product is added so that the carbonaceous fiber constituting the carbonaceous fiber woven fabric obtained by the carbonization treatment has a binder or its carbonized content of 0.01 to 30% by weight. By attaching and bonding the carbonaceous fibers to each other, a carbonaceous material having a bulk density of 0.47 to 0.6 g / cm and a bending resistance index value (L) of 6 cm or more based on the 45 ° cantilever method Prepare fiber woven fabric
A method for producing a carbonaceous fiber woven fabric characterized by the above .
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