JP5317535B2 - 炭素繊維シート及びその製造方法 - Google Patents
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Description
炭素繊維含有量[g/m2]:(A)=W×SAρA/(SAρA+SBρB+SCρC+SDρD)
無定形炭素含有量[g/m2]:(B)=W×SBρB/(SAρA+SBρB+SCρC+SDρD)
炭素粒子I含有量[g/m2]:(C)=W×SCρC/(SAρA+SBρB+SCρC+SDρD)
炭素粒子II含有量[g/m2]:(D)=W×SDρD/(SAρA+SBρB+SCρC+SDρD)
(ここで、炭素繊維、無定形炭素、炭素粒子I及び炭素粒子IIの比重は、それぞれ以下の値:
ρA=1.78、ρB=2.20、ρC=2.00、ρD=2.00
を用いる)
により算出する。
本発明の炭素繊維シートは、その物性が上記範囲内にあれば、その製造方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭素繊維を抄紙して得た原料炭素繊維ペーパーに、添着用樹脂と炭素粒子との混合物を、最終工程の炭素化処理工程後に、無定形炭素含有量(B)と炭素粒子Iの含有量(C)と炭素粒子IIの含有量(D)との合計に対する炭素粒子Iの含有量(C) と炭素粒子IIの含有量(D)との合計の質量比[(C+D)/(B+C+D)]が0.65〜0.95となり且つ炭素繊維含有量(A)に対する無定形炭素含有量(B)と炭素粒子I含有量(C)と炭素粒子II含有量(D)との合計の質量比[(B+C+D)/A]が1.50〜5.00となる量、添着した後、空気中、温度150℃〜400℃、圧力0.1〜1.8MPaで酸化安定化処理し、次いで、不活性ガス中、温度1500〜2500℃で炭素化処理することにより製造することができる。
必要に応じ繊維長2〜20mmにカットした繊維径3〜30μmの炭素繊維を抄紙して得られるペーパーであり、厚さが100〜400μm、目付が40〜200g/m2であることが好ましい。この炭素繊維ペーパーは、複数枚を積層したものでもよい。
上記炭素繊維には、添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物を、上記配合量、添着させる。原料炭素繊維ペーパーに添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物を添着させる方法としては、ペーパー作製時に添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物を混合させる方法、ペーパー作製後に添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物を含浸させる方法、ペーパー作製後にスプレーで添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物を噴霧させることにより添着させる方法、ペーパー作製後に添着用樹脂と炭素粒子Iと炭素粒子IIとの混合物をコーティングさせる方法などがある。
添着用樹脂は、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、PVP樹脂、及び、カルボキシメチルセルロース(CMC)樹脂からなるグループから選ばれる樹脂であることが好ましい。
本発明に用いる炭素粒子のうち含有量(C)の炭素粒子Iの粒子径(X)は平均粒径で0.5〜5μmであり、含有量(D)の炭素粒子IIの粒子径(Y)は平均粒径で7〜20μmである。
粒子径(X)と粒子径(Y)の比[(Y)/(X)]は平均粒径比で1.5〜20の範囲である。
炭素粒子としては、炭素粒子I及び炭素粒子IIの何れも、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、葉片状黒鉛、塊状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛粒子、更には、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。特に限定はされないが、上記炭素粒子のうちでも、黒鉛粒子、カーボンブラックがより好ましい。炭素粒子の形状は、球状、鱗片状が特に好ましい。
樹脂添着量については、原料炭素繊維ペーパー目付(抄紙バインダを含む)の1.5〜9.0倍が好ましい。なお、通常の抄紙バインダの含有量は、炭素繊維ペーパーに対して0.1〜0.2倍である。
粒子径(X)を持つ炭素粒子I含有量(C)と粒子径(Y)を持つ炭素粒子II含有量(D)との質量比[(C)/(D)]は0.1〜0.3であることが望ましい。質量比[(C)/(D)]が0.1未満の場合は粒子径の大きいものが多いために繊維交差部の交点近傍に炭素粒子が良好に充填されず、十分な繊維交差部の強度が発現されない。また、質量比[(C)/(D)]が0.3を超える場合は粒子径が小さいものが多いため、繊維交差部の交点近傍以外にも炭素粒子が分散し、繊維交差部の交点近傍に炭素粒子が充填しにくく、この場合もまた、十分な繊維交差部の強度が発現されない。
添着用樹脂と炭素粒子(炭素粒子I及び炭素粒子II)との混合物を添着した炭素繊維ペーパーは、空気中、温度150℃〜400℃、好ましくは200℃〜350℃、接圧0.1〜1.8MPa、好ましくは0.2〜1.0MPaで5〜300分、酸化安定化処理されて酸化シートになる。処理操作は、連続、バッチのいずれでも良い。
上記酸化シートを、バッチ操作又は連続操作で、窒素等の不活性ガス雰囲気下、500〜1200℃で予備焼成する工程を経由して1500〜2500℃で焼成して炭素化し、炭素繊維シートを得る。炭素化処理においてシートに掛かる接圧は、0.1〜1MPaであることが好ましい。
10cm角のシートを120℃、1hr乾燥した後の質量値より算出した。
直径5mmφの円形圧板で厚さ方向に1.2Nの荷重(61.9kPa)を負荷したときの厚さを測定した。
JIS K 6911に基づき、試験片サイズ:10mm幅×50mm長、試験速度1mm/min、圧子半径3.2mm、支点半径3.2mm、支点間距離16mmにて測定した値から求めた。
曲げ強度測定時の破断時の撓み量として求めた。
曲げ強度測定時の撓み量が0.2mmから0.4mmの間の弾性率として求めた。
2枚の50mm角(厚さ10mm)の金メッキした電極で、炭素繊維シートを電極が全面接触するように挟み、荷重10kPaをシートの厚さ方向に掛けたときの厚さ方向の電気面積抵抗値を測定した。
炭素繊維シートを50cm角にカットし、これに触媒(Pt−Rt)を0.2mg/cm2担持させた。高分子電解質膜(ナフィオン117)の両面に上記触媒を担持させた炭素繊維シートを接合してセルを構成した。温度80℃で電流密度0.6/cm2でのセル電圧を測定し性能(電池特性)とした。
表1〜2に示すように、PAN系炭素繊維(カット長5mm)を抄紙して得た原料繊維ペーパーに、尿素樹脂と粒子径(X)を持つ炭素粒子Iと粒子径(Y)を持つ炭素粒子IIの混合物を、添着した後、空気中、温度250℃、圧力1.0MPaで1時間、酸化安定化処理し、次いで、不活性ガス中、温度2500℃で炭素化処理を実施し、炭素繊維シートを作製し、上記の物性を測定した。その結果を表1〜2に示す。
表3に示すように、PAN系酸化繊維(カット長6mm)を抄紙して得た原料繊維ペーパーに、尿素樹脂と粒子径(X)を持つ炭素粒子Iと粒子径(Y)を持つ炭素粒子IIの混合物を、添着した後、空気中、温度200℃、圧力0.8MPaで1時間、酸化安定化処理し、次いで、不活性ガス中、温度2500℃で炭素化処理を実施し、炭素繊維シートを作製し、上記の物性を測定した。その結果を表3に示す。
4 炭素繊維
6 炭素粒子I
7 炭素粒子II
8 無定形炭素
10 無定形炭素又は炭素繊維の間で形成される間隙
Claims (4)
- 炭素繊維と、粒子径(X)が平均粒径で0.5〜5μmの炭素粒子I及び粒子径(Y)が平均粒径で7〜20μmの炭素粒子IIを含み前記炭素繊維同士の交差部を接合する無定形炭素とからなり且つ粒子径(X)と粒子径(Y)との平均粒径比[(Y)/(X)]が1.5〜20である固体高分子型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維シートであって、無定形炭素含有量(B)と炭素粒子I含有量(C)と炭素粒子II含有量(D)との合計に対する炭素粒子I含有量(C)と炭素粒子II含有量(D)との合計の質量比[(C+D)/(B+C+D)]が0.65〜0.95であり且つ炭素繊維含有量(A)に対する無定形炭素含有量(B)と炭素粒子I含有量(C)と炭素粒子II含有量(D)との合計の質量比[(B+C+D)/A]が1.50〜5.00である固体高分子型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維シート。
- 厚さが100〜350μm、目付が40〜200g/m2である請求項1に記載の固体高分子型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維シート。
- 炭素粒子II含有量(D)に対する炭素粒子I含有量(C)の質量比[(C)/(D)]が0.1〜0.3である請求項1に記載の固体高分子型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維シート。
- 炭素粒子I及び炭素粒子IIが、黒鉛粒子又はカーボンブラックである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維シート。
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