(57)【要約】【課題】炭素繊維の織布または不織布を用いて、表面が平滑で厚みも薄い燃料電池用ガス拡散層材料を提供する。【課題解決の手段】炭素繊維用耐炎化糸を主成分とする織布または不織布を熱圧ロールに通過させて、表面を平滑かつ厚みを薄くした後、８００〜３０００℃の最終熱処理をすることからなる燃料電池ガス拡散層用の炭素繊維織布または不織布の製造方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維用耐炎化糸を主成分とする織布または不織布を、熱圧ロールを通過させて表面を平滑かつ厚みを薄くした後、８００〜３０００℃の最終熱処理をすることからなる固体高分子型燃料電池ガス拡散層用の炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【請求項２】
請求項１における織布または不織布がポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系のいずれかの原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸のみからなる、炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【請求項３】
請求項１における織布または不織布がポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系のいずれかの原料繊維とこれらの原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸との混紡繊維からなる、炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【請求項４】
請求項１に於ける織布または不織布が、ポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系のいずれかの原料繊維と、これらの原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸、ならびにポリアクリロニトリル系、レーヨン系、フェノール系、ピッチ系のいずれかの炭素繊維との混紡繊維からなる、炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【請求項５】
請求項１における熱圧ロールの温度が１５０〜３５０℃である炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【請求項６】
請求項１における熱圧ロールの線圧が５００〜５０００Ｎ／ｃｍである炭素繊維織布または不織布の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池のガス拡散層の材料として用いられる炭素繊維織布または不織布の製造方法に関し、より詳しくは、炭素繊維用耐炎化糸の織布または不織布を炭化焼成前のプリカーサーの段階で、熱圧ロールで処理することにより、表面を平滑にし、かつ厚みを薄くした炭素繊維織布または不織布が得られる製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池用のガス拡散層の材料として、カーボンペーパーが多く使用されている。
このカーボンペーパーは、炭素繊維を樹脂で積層成形した後、焼成炭化することにより得られ、炭素繊維を炭素で固定した材料だが、しなやかさに欠け、また脆弱であることなどの欠点がある。
【０００３】
そこで、カーボンペーパーに代わるカーボン系材料として、炭素繊維の織布または不織布を使用することが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５８−１６５２５４号公報
【０００５】
炭素繊維の織布、不織布は、しなやかで、脆弱さもなく、各種形状での供給が可能で取り扱いも容易である等の利点を有する優れた材料である。
しかしながら、燃料電池用のガス拡散層に用いた場合、以下の欠点がある。
【０００６】
まず、炭素繊維の織布、不織布は、炭素繊維のフィラメントが炭素で固定されていないので、燃料電池におけるイオン交換膜（固体高分子膜）と接合した際に、表面に突き出たフィラメントがイオン交換膜を突き破ることがある。
このため、アノードとカーソード間で電流のリークや短絡が多発する。
【０００７】
特に炭素繊維の織布では、経糸と緯糸の織目において凹凸が発生し、この凸部がイオン交換膜が破壊され短絡の原因となることが多い。
【０００８】
また、上記の短絡の問題の他に、燃料電池の寸法が大きくなる問題もある。
即ち、一般に炭素繊維の織布、不織布は、カーボンペーパーに比べ気孔率が高いため、カーボンペーパーと同一の繊維含有率を得ようとした場合、厚みが厚くなり、燃料電池の寸法が大きくなる。
【０００９】
上記のような問題があるため、炭素繊維の織布、不織布の優れた特性を活かし、かつイオン交換膜の破壊や厚さの問題点を解消した燃料電池ガス拡散層材料が望まれている。
【００１０】
【発明の課題】
上記の要望に応えるために、本発明者は炭素繊維の織布、不織布を用いて、表面が平滑で、イオン交換膜の破壊の原因となるフィラメントや凹凸の発生を抑制でき、かつ厚みも薄い燃料電池ガス拡散層材料の製造方法を提供する。
【００１１】
【課題解決の手段】
上記のような課題を解決するために、本発明者は鋭意検討した結果、炭素繊維用の耐炎火糸の織布、不織布を炭化焼成前のプレカーサーの段階で、熱圧ロール処理することにより、表面を平滑にし、かつ厚みを薄くすれば目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
即ち、本発明者が提案するのは、炭素繊維用耐炎化糸を主成分とする織布または不織布を、熱圧ロールに通過させて表面を平滑かつ厚みを薄くした後、８００〜３０００℃の最終熱処理をすることからなる燃料電池ガス拡散層用の炭素繊維織布または不織布の製造方法である。
【００１３】
以下に本発明の構成要件について、さらに詳細に説明する。
【００１４】
本発明において用いる炭素繊維用耐炎化糸を主成分とする織布または不織布とは、以下の３通りのものを含む。
（１）ポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系の原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸のみからなるもの。
（２）ポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系の原料繊維と、これらの原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸との混紡繊維からなるもの。
（３）ポリアクリロニトリル、レーヨン、フェノール系の原料繊維と、これらの原料繊維を耐炎化処理した耐炎化糸、ならびにポリアクリロニトリル系、レーヨン系、フェノール系、ピッチ系のいずれかの炭素繊維との混紡繊維からなるもの。
ここで耐炎化糸は、酸素濃度１０〜２５％の雰囲気下で２００〜４００℃で耐炎化したものを用いるのが適当である。
【００１５】
本発明で特徴となるのは、上記のような織布または不織布を、炭化焼成前のプレカーサーの段階で、熱圧ロールに通過させて、表面を平滑にし、かつ厚みを薄くすることである。
【００１６】
熱圧ロールの温度は、１５０〜３５０℃であることが好ましい。
１５０℃未満ではプレカーサーの塑性変形が生じないため不都合で、３５０℃を超えるとプレーカーサーの繊維強度が著しく低下するので問題がある。
【００１７】
熱圧ロールの圧力は、線圧で５００〜５０００Ｎ／ｃｍが適当である。
また処理速度は１〜５０ｍ／ｍｉｎ程度が良い。
ここで線圧は以下の式で求める。
線圧＝全荷重／ロールに通過させる物の幅
【００１８】
熱圧ロールに通過させた後は、不活性雰囲気中、８００〜３０００℃で最終的な熱処理をして、炭化焼成または黒鉛化することにより、本発明における炭素繊維織布または不織布が得られる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によると、燃料電池用ガス拡散層に用いる炭素繊維織布、不織布につき、表面が平滑で、凹凸やフィラメントの突出がきわめて少ない材料が得られる。従ってこれら凹凸やフィラメントに起因するイオン交換膜の破壊によるリークや短絡の防止に非常に有効である。
また、カーボンペーパーを用いた場合と同様、材料の厚みを薄くすることができ、１ｍｍ以下の材料を得ることができる。
【００２０】
【実施例および比較例】
【実施例１】
原料繊維として、酸素濃度２０％の雰囲気下、約４００℃で耐炎化処理したポリアクリロニトリル系（以下ＰＡＮ系）耐炎化繊維の織布を用いて、表１に記載のように、線圧２０００Ｎ／ｃｍ、温度２００℃で熱圧ロール処理した後、焼成して燃料電池拡散層用の基材を得た。
この基材を拡散層として用いた場合、イオン交換用の高分子膜を損傷しない平滑な材料であることを確認するために以下のような方法で評価を行った。
この拡散層用の基材２枚を用いて高分子膜を挟み、さらにこれらを金属の並行平板に挟み、７ＭＰａの圧力で１０分間加圧した。
圧力除去後の高分子膜を走査型電子顕微鏡にて観察し、１ｃｍ２中のピンホール数を測定した。
この時、ピンホールは貫通孔を意味する。
ピンホール数が少ない程、拡散層用の基材として好ましい平滑な材料と評価できる。
評価の結果を表１に示す。
【実施例２】
実施例１と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の織布を用いて熱圧ロールについて線圧を３０００Ｎ／ｃｍ　、温度を２５０℃とする以外は全て実施例１と同様にして拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例１と同一の方法で評価した結果を表１に示す。
【比較例１】
実施例１と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の織布を用いて、熱圧ロール処理をしないこと以外は全て実施例１と同様にして拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例１と同一の方法で評価した結果を表１に示す。
【比較例２】
実施例１と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の織布を用いて、熱圧ロールの条件について、線圧を１５００Ｎ／ｃｍ、温度を１２０℃とする以外は、全て実施例１と同様にして拡散層用基材を得た。
得られた拡散層基材を実施例１と同一の方法で評価した結果を表１に示す。
【比較例３】
実施例１同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の織布を用いて、熱圧ロールの条件について線圧を３００Ｎ／ｃｍ、温度を２５０℃とする以外は、全て実施例１と同様にして、拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例１と同一の方法で測定した結果を表１に示す。
【比較例４】
実施例１と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の織布を用いて熱圧ロールの条件を線圧を２０００Ｎ／ｃｍ、温度を４００℃とする以外は、全て実施例１と同様にして、拡散層用基材を得たが熱分解による破損が生じた。
【００２１】
【実施例３】
原料繊維としてレーヨン耐炎化繊維の織布を用いて熱圧ロールの条件について、線圧を２０００Ｎ／ｃｍ、　温度を１８０℃とする以外は、全て実施例１と同様にして、拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を用いて実施例１と同一の方法で評価した結果を表１に示す。
【比較例５】
実施例３と同様にレーヨン耐炎化繊維の織布を用いて、熱圧ロール処理をしないこと以外は全て実施例３と同様にして、拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例３と同様にして評価した結果を表１に示す。
【００２２】
【実施例４】
原料繊維としてＰＡＮ系耐炎化繊維の不織布を用いて熱圧ロールについて、線圧を８００Ｎ／ｃｍ、温度を２００℃とする以外は実施例１と同様にして、拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例１と同様にして評価した結果を表１に示す。
【比較例６】
実施例４と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の不織布を用いて、熱圧ロール処理をしないこと以外は全て実施例４と同様にして、拡散層用基材を得た。
得られた拡散層用基材を実施例４と同一の方法で評価した結果を表１に示す。
【比較例７】
実施例４と同様にＰＡＮ系耐炎化繊維の不織布を用いて、熱圧ロールの条件について線圧を２０００Ｎ／ｃｍ、温度を４００℃とする以外は全て実施例４と同様にして、拡散層用基材を得たが、焼成後に破損が生じた。
2004111341.tif 000002