(57)【要約】【課題】加圧した後、繊維材料に粗密が発生することなく、均一となり、かつ繊維材料が破壊されにくく、さらには好ましい導電性透過率を有し、更に厚さの薄いシート状炭素繊維導電体、及びその製造方法を提供する。【解決方法】繊維材料２０に梳毛処理を行い、複数のスパンレースノズル３１でスパンレースを行って均一に加圧して薄いシート状にし、かつ該繊維２１、２１を水平の並びから垂直の並びに変化させて交絡させ、高分子樹脂に浸漬し、熱圧処理を行い、プレッシング処理を行い、９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除し、更に７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して炭化処理を行い、シート状炭素繊維導電体２０Ａを得る。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め繊維材料を用意し、該繊維材料に梳毛処理を行って異物などを除去し、かつて該繊維材料の複数の繊維を水平方向に分布させる梳毛のステップと、複数のスパンレースノズルを設置し、極めて微細で、かつ極めて密集した複数の該スパンレースノズルから噴水して複数の微小な水柱を形成し、該複数の水柱によって該梳毛処理を行った繊維材料を均一に加圧して薄いシート状にし、かつ該繊維を水平の並びから垂直の並びに変化させて交絡させて高い引っ張り強度と、均一なガス透過性とを具えさせ、抵抗値を低減させるスパンレース処理のステップと、スパンレース処理を行った該繊維材料を高分子樹脂に浸漬する浸漬のステップと、浸漬処理を行った後の該繊維材料に熱圧処理を行う熱圧のステップと、熱圧処理を行った後の該繊維材料にプレッシング処理を行うプレッシングのステップと、プレッシング処理を行った該繊維材料に艶出し処理を行う艶出しのステップと、該繊維材料を９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除する第１の炭化処理のステップと、７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して、二次炭化を行う第２の炭化処理ステップと、シート状炭素導電体を完成させる完成のステップを含むことを特徴とする、シート状炭素繊維導電体の製造方法。
【請求項２】
前記スパンレースのステップにおいて、２本の該水柱の間のギャップが１００μｍから２００μｍの間であって、かつ該微細な水柱の直径が約５０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のシート状炭素繊維導電体の製造方法。
【請求項３】
前記スパンレースノズルによって形成される水柱で該繊維材料を加圧して、約１０μの厚さにすることを特徴とする、請求項１に記載のシート状炭素繊維導電体の製造方法。
【請求項４】
可撓性を有するシート状を呈し、スパンレース処理によって複数の水平に並ぶ繊維が隣り合う繊維と交絡し、局部的な垂直交絡が形成されるとともに、浸漬、熱圧、プレッシング、艶出し、及び２回の炭化処理を経て製造され、かつ厚さが２５０μｍを下回ることを特徴とする、シート状炭素繊維導電体。
【請求項５】
前記シート状炭素繊維導電体の厚さが５０μｍを下回ることを特徴とする、請求項４に記載のシート状炭素繊維導電体。
【請求項６】
前記シート状炭素繊維導電体が、少なくとも第１電極と第２電極とによって燃料電池を構成することを特徴とする、請求項４に記載のシート状炭素繊維導電体。
【請求項７】
前記シート状炭素繊維導電体が、少なくとも第１電極と第２電極とによって薄型の加熱シートを構成することを特徴とする、請求項４に記載のシート状炭素繊維導電体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素繊維を応用した導電体に関し、特に厚さ１５μｍ以下のシート状炭素繊維導電体の製造が可能で、且つ透過導電性に優れるシート状炭素繊維導電体と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシート状炭素繊維導電体の製造方法を図１、図２に開示する。図面によれば、ニードルパンチ法によってフェルトを形成する９１のステップにおいて、図３に開示するように複数のニードル８１で繊維材料７０の複数の繊維７１に加圧してフェルトを形成する。
【０００３】
次いで、樹脂に浸漬する９２のステップにおいて、上述するフェルトを形成した繊維材料７０を高分子樹脂に浸漬する。
【０００４】
次に、熱圧硬化を行う９３のステップにおいて、上述する高分子樹脂に浸漬した繊維材料７０に対して熱圧硬化処理を行う。
【０００５】
次に、炭化処理を行う９４のステップにおいて、上述のステップで熱圧硬化処理を行った繊維材料７０に対して炭化処理を行う。
【０００６】
最後に、製品とする９５のステップでは、上述するステップで炭化処理を行った繊維材料７０を具えるフェルトをシート状炭素繊維導電体製品とする（図４、図５に開示するように、ニードルパンチ処理を行った繊維材料７０が、即ちシート状炭素繊維導電体である）。
【０００７】
上述するステップで製造された従来のシート状炭素繊維導電体及びその製造方法は、次に掲げる欠点を有する。
【０００８】
先ず、ニードルパンチ処理を行い加圧した後に発生する繊維の分布に粗密があり、不均一である。
【０００９】
図３に開示するように、従来の方法は複数のニードル８１で厚さが３００μｍの繊維材料７０に対してニードルパンチ処理を行う。この場合、隣り合う２本のニードル８１の間の第２ピッチＷ２は約５００μmであって、それぞれのニードル８１の直径Ｄ２は約２００μｍであるまた、繊維材料７０の単一の繊維は直径が約１０μｍである。
【００１０】
前記隣り合う２本のニードル８１の間の第２ピッチＷ２の５００μｍは繊維材料７０の単一の繊維を５０本並べた幅に相当し、ニードル８１の直径Ｄ２の２００μｍは繊維材料７０の単一の繊維を２０本並べた幅に相当する。
【００１１】
よって、ミクロの角度から見れば、このように広いピッチに、相対的に太いニードル８１でニードルパンチを行ってフェルトを形成するということは、ニードル８１間のピッチが広すぎるため、圧力を受けた部分は繊維７１が密集し、圧力を受けていない部分は繊維７１の密度が高くない。このため、ニードルパンチを行い加圧した後、繊維の分布に粗密が発生し、均一でなくなる。
【００１２】
次に、ニードルパンチを行い加圧する過程において、繊維材料が容易に破壊される。
【００１３】
図４に開示するように、仮に第１の厚さをＴ１として繊維材料７０にニードルパンチで加圧すると、繊維が互いに絡む程度が高まる（一方では、繊維材料７０の相対的な表面間の導電性が高まり、また繊維材料７０の引っ張り強度は高くなる）。但し、硬質のニードル８１で無理やり繊維材料を下方向に押し圧すると、繊維材料７０に孔部７２が容易に発生する。よって、これを燃料電池のガス拡散電極に応用した場合（図６に開示するシート状炭素繊維導電体２０Ａ参照）、図４に開示するような孔部７２が発生した部位の気体透過性が高くなり、孔部７２の発生しない部分の気体透過性は低くなる。このため、気体透過性が不均一になるという現象が現れ、ここから電気化学の反応の不均一を招く。
【００１４】
また、ニードルパンチを行い加圧すると、比較的薄い繊維材料を極めて容易に破壊する。
【００１５】
図５に開示するように、仮に繊維材料７０の第１の厚さをＴ１とし、これをさらに薄くして第２の厚さＴ２とすると、ニードル８１による加圧過程において、繊維材料７０が容易破れて孔部７３が発生する。特に、第２の厚さＴ２が２０μｍ以下の場合、係る状況は避けることがほぼ難しくなる。
【００１６】
また、製品の導電性透過率が低減する。
【００１７】
即ち、従来のニードルパンチ法で繊維材料に加圧すると、繊維材料に孔部が発生し、繊維の分布が不均一になり、垂直方向の繊維分布が比較的少なくなり、かつ不均一になるため、ガス透過性が不均一となり、また導電性透過率が低減するという問題を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述するように、従来の技術によるシート状炭素繊維導電体、及び製造方法は、その欠点を改善する必要がある。そこで、この発明は、加圧した後、繊維材料に粗密が発生することなく、均一となり、かつ繊維材料が破壊されにくく、さらには好ましい導電性透過率を有するシート状炭素繊維導電体、及び製造方法を提供することを課題とする。
【００１９】
また、この発明は厚さが１５μｍ以下のシート状炭素繊維導電体、及びかかるシート状炭素繊維導電体を製造できる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、予め繊維材料を用意し、該繊維材料に梳毛処理を行って異物などを除去し、かつて該繊維材料の複数の繊維を水平方向に分布させる梳毛のステップと、スパンレース処理を行う１２のステップにおいて、複数のスパンレースノズルを設置し、極めて微細で、かつ極めて密集した複数の該スパンレースノズルから噴水して複数の微小な水柱を形成し、該複数の水柱によって該梳毛処理を行った繊維材料を均一に加圧して薄いシート状にし、かつ該繊維を水平の並びから垂直の並びに変化させて交絡させて高い引っ張り強度と、均一なガス透過性とを具えさせ、抵抗値を低減させるスパンレース処理のステップと、スパンレース処理を行った該繊維材料を高分子樹脂に浸漬する浸漬のステップと、浸漬処理を行った後の該繊維材料に熱圧処理を行う熱圧のステップと、熱圧処理を行った後の該繊維材料にプレッシング処理を行うプレッシングのステップと、プレッシング処理を行った該繊維材料に艶出し処理を行う艶出しのステップと、該繊維材料を９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除する第１の炭化処理のステップと、７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して、二次炭化を行う第２の炭化処理ステップと、シート状炭素導電体を完成させる完成のステップを含む製造方法と、及び係る製造方法によって製造されるシート状炭素導電体とによって課題を解決する点に着眼し、係る知見に基づいて本発明を完成させた。
【００２１】
以下、この発明について具体的に説明する。
【００２２】
請求項１に記載するシート状炭素繊維導電体の製造方法は、予め繊維材料を用意し、該繊維材料に梳毛処理を行って異物などを除去し、かつて該繊維材料の複数の繊維を水平方向に分布させる梳毛のステップと、スパンレース処理を行う１２のステップにおいて、複数のスパンレースノズルを設置し、極めて微細で、かつ極めて密集した複数の該スパンレースノズルから噴水して複数の微小な水柱を形成し、該複数の水柱によって該梳毛処理を行った繊維材料を均一に加圧して薄いシート状にし、かつ該繊維を水平の並びから垂直の並びに変化させて交絡させて高い引っ張り強度と、均一なガス透過性とを具えさせ、抵抗値を低減させるスパンレース処理のステップと、スパンレース処理を行った該繊維材料を高分子樹脂に浸漬する浸漬のステップと、浸漬処理を行った後の該繊維材料に熱圧処理を行う熱圧のステップと、熱圧処理を行った後の該繊維材料にプレッシング処理を行うプレッシングのステップと、プレッシング処理を行った該繊維材料に艶出し処理を行う艶出しのステップと、該繊維材料を９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除する第１の炭化処理のステップと、７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して、二次炭化を行う第２の炭化処理ステップと、シート状炭素導電体を完成させる完成のステップを含む。
【００２３】
請求項２に記載するシート状炭素繊維導電体の製造方法は、請求項１におけるスパンレースのステップにおいて、２本の該水柱の間のギャップが１００μｍから２００μｍの間であって、かつ該微細な水柱の直径が５０μｍである。
【００２４】
請求項３に記載するシート状炭素繊維導電体の製造方法は、請求項１におけるスパンレースノズルによって形成される水柱で該繊維材料を加圧して約１０μの厚さにする。
【００２５】
請求項４に記載するシート状炭素繊維導電体は、可撓性を有するシート状を呈し、スパンレース処理によって複数の水平に並ぶ繊維が隣り合う繊維と交絡し、局部的な垂直交絡が形成されるとともに、浸漬、熱圧、プレッシング、艶出し、及び２回の炭化処理を経て製造され、かつ厚さが２５０μｍを下回る。
【００２６】
請求項５に記載するシート状炭素繊維導電体は、請求項４におけるシート状炭素繊維導電体の厚さが５０μｍを下回る。
【００２７】
請求項６に記載するシート状炭素繊維導電体は、請求項４におけるシート状炭素繊維導電体が、少なくとも第１電極と第２電極とによって燃料電池のガス拡散電極を構成する。
【００２８】
請求項７に記載するシート状炭素繊維導電体は、請求項４におけるシート状炭素繊維導電体が、少なくとも第１電極と第２電極とによって薄型の加熱シートを構成する。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によるシート状炭素繊維導電体、及びその製造方法は、スパンレース処理を行うことによって繊維が緊密に分布し、繊維間の交絡が多く、かつ均一に発生するため、高い引っ張り強度と均質の高い隙間度が得られるという利点を有する。
【００３０】
また、スパンレース処理を行うことによって、水平、もしくは垂直に交絡する繊維を破壊することなく、製造工程における繊維材料の破損を抑制して歩留まりをためるという利点を有する。
【００３１】
また、スパンレース処理を行うことによって、厚さが１５μｍ以下のシート状炭素繊維導電体を製造することができ、製品の応用範囲を広くすることができるという利点を有する。
【００３２】
また、スパンレース処理を行うことによって、繊維材料に好ましい引っ張り強度が得られ、均質な通気性が得られ、抵抗が低く、高い導電性が得られるなどの利点を有するのみならず、生産ラインによって大量生産することができ、可撓性を有するため巻き取ることができ、保管、もしくは運送に便利で、かつ生産コストを節減できるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
この発明は、加圧した後、繊維材料に粗密が発生することなく、均一となり、かつ繊維材料が破壊されにくく、さらには好ましい導電性透過率を有するシート状炭素繊維導電体、及びその製造方法を提供するものであって、その製造方法は繊維材料に梳毛処理を行い、複数の該スパンレースノズルでスパンレースを行って均一に加圧して薄いシート状にし、かつ該繊維を水平の並びから垂直の並びに変化させて交絡させ、高分子樹脂に浸漬し、熱圧処理を行い、プレッシング処理を行い、９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除し、更に７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して炭化処理を行い、シート状態炭素繊維導電体を得るステップを含む。係るシート状炭素繊維導電体、及びその製造方法について、その特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図面を参照にして如何に説明する。
【００３４】
図７、図８に、この発明によるシート状炭素繊維導電体、及び製造方法を開示する。図面によれば、この発明の方法は次に掲げるステップを含む。
【００３５】
梳毛を行う１１のステップにおいて、予め繊維材料２０を用意し、繊維材料２０に梳毛処理を行う。繊維材料２０の複数の繊維２１間の絡まり、異物（Foreign matters）などを除去し、同時に梳毛作用（Carding）によって繊維材料２０の複数の繊維２１を水平方向に分布させる。
【００３６】
次いで、スパンレース処理を行う１２のステップにおいて、複数のスパンレースノズル３１を設置し、極めて微細で、かつ極めて密集した複数のスパンレースノズル３１から噴水して複数の微小な水柱３１１を形成する。隣り合う両水柱３１１間の第１ピッチＷ１は約１００μｍから２００μｍの間である。また、それぞれの水柱３１１の直径Ｄ１は約５０μｍである。
【００３７】
複数の微小な水柱３１１は、直接複数の繊維２１に衝突し、繊維材料２０を均一に加圧して薄いシート状にし、かつ繊維２１を湾曲させて水平の並びから垂直の並びに変化させ、同時に繊維２１間の交絡（図９Ａ、図９Ｂ参照）を発生させることによって、繊維材料２０全体の強度、とくに引っ張り強度を高め、ガス透過性を均一にし、抵抗値を低減させる（即ち導電性を高める）。
【００３８】
次いで、浸漬を行う１３のステップにおいて、スパンレース処理をおこなった繊維材料２０を高分子樹脂に浸漬する。
【００３９】
次いで、熱圧を行う１４のステップにおいて、浸漬処理を行った後の繊維材料２０に熱圧処理を行う。
【００４０】
次いで、プレッシングを行う１５のステップにおいて熱圧処理を行った後の繊維材料２０にプレッシング処理を行う。
【００４１】
次いで、艶出しのステップ１６において、プレッシング処理を行った繊維材料２０に艶出し処理を行う。
【００４２】
次いで、第１の炭化処理を行う１７のステップにおいて、繊維材料２０を９５０℃から１０５０℃の温度条件で所定の時間加熱して不純物を排除する（総重量に対して約３０wt％の不純物が排除される）。
【００４３】
次いで、第２の炭化処理を行う１８のステップにおいて、さらに１７００℃から１９００℃の温度条件で、所定の時間加熱して、二次炭化を行う。
【００４４】
最後に、１９のステップにおいて、シート状炭素導電体２０Ａを完成させる（図１０参照）
【００４５】
この発明によるシート状炭素導電体２０Ａは、可撓性を有する薄いシート状を呈し、複数の繊維２１を含む組成される。スパンレース処理によって複数の水平方向に並ぶ繊維２１は、隣り合う繊維２１が局部的に垂直方向に交絡し（導電性と引っ張り強度が高まる）、かつ浸漬、熱圧、プレッシング、艶出し、及び２回の炭化処理によって可撓性を有する。かかるシート状炭素繊維導電体２０Ａは厚さが２５０μmを下回る。
【００４６】
詳しくは、この発明によるシート状炭素繊維導電体は複数の繊維によってなり、スパンレース処理の過程において微小で、且つ密集した水柱が複数の繊維に対して加圧を行うため、繊維に均一な垂直方向の交絡が発生する。よって、引っ張り強度が高まり、高い導電性が得られる。
【００４７】
また、この発明によるシート状炭素繊維導電体２０Ａは、生産ラインにおいて大量生産することができ、巻き取るか、もしくは裁断して燃料電池のガス拡散電極、またはその他用途の導電シートに応用することができる。
【００４８】
この発明は、少なくとも次に掲げる技術の領域に応用することができる。
【００４９】
燃料電池のガス拡散電極。即ち、図６に開示するようにこの発明によるシート状炭素導電体２０Ａ（図６にガス拡散電極の応用例を開示する）と、少なくとも第１電極板２０１と、第２電極板２０２とによってガス拡散電極を構成する。
【００５０】
高導電、抗電磁波材料。即ちこの発明によるシート状炭素導電体２０Ａは好ましい導電性を有するため、高導電、もしくは耐電磁波材料に応用することができる。
【００５１】
薄型の加熱シート。即ち、図１１に開示するように、この発明によるシート状炭素繊維導電体２０Ａに第１電極２０３と第２電極２０４とを設け、かつ第１電極２０３と第２電極２０４とに通電できるよう構成する。係る構造は、薄型加熱シートによって熱を発生させることができる。
【００５２】
また、この発明によるシート状炭素繊維導電体２０Ａは、高スリット（間隙）率のニーズを有する炭素導電シートに応用することができる。
【００５３】
また、この発明によるシート状炭素繊維導電体２０Ａは、耐摩耗性が要求される炭素繊維導電シートに応用することができる。
【００５４】
当然のことながら、上述する技術領域意外に、その他導電体を必要とする電極構造に応用することができる。
【００５５】
以上はこの発明の好ましい実施の形態であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、且つこの発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来の炭素繊維電極製造方法を示したフローチャート
【図２】従来の炭素繊維電極の局部構造を示した拡大説明図
【図３】従来の方法によるニードルパンチ処理を示した説明図
【図４】図３に開示するニードルパンチ処理を行った後の第１の状況を示した説明図で
【図５】図３に開示するニードルパンチ処理を行った後の第２の状況を示した説明図
【図６】炭素繊維導電体を燃料電池に応用した例を示した説明図
【図７】本発明によるシート状炭素繊維導電体の製造方法を示したフローチャート
【図８】本発明におけるスパンレース処理を示した説明図
【図９Ａ】図８に開示するスパンレース処理における繊維の状況を示した局部拡大説明図
【図９Ｂ】図８に開示するスパンレース処理における繊維の状況を示した他の局部拡大説明図
【図１０】本発明によるシート状炭素繊維導電体の断面を示した説明図
【図１１】本発明を薄型加熱シートに応用した例を示した説明図
【符号の説明】
【００５７】
２０        繊維材料
２０Ａ      シート状炭素繊維導電体
２１        繊維
３１        スパンレースノズル
３１１      水柱
７０        繊維材料
７１        繊維
７３        後部
８１        ニードル
Ｔ１        厚さ
Ｔ２        厚さ
Ｗ１        ピッチ
Ｗ２        ピッチ
Ｄ１        直径
Ｄ２        直径
【図１】
2009138302.tif 000003
【図２】
2009138302.tif 000004
【図３】
2009138302.tif 000005
【図４】
2009138302.tif 000006
【図５】
2009138302.tif 000007
【図６】
2009138302.tif 000008
【図７】
2009138302.tif 000009
【図８】
2009138302.tif 000010
【図９Ａ】
2009138302.tif 000011
【図９Ｂ】
2009138302.tif 000012
【図１０】
2009138302.tif 000013
【図１１】
2009138302.tif 000014