碳纖維紙及使用該材料的燃料電池用多孔碳電極基材制造技術

本發明專利技術提供一種碳纖維紙及其燃料電池用多孔碳電極基材，所述碳纖維紙含有表面積比在１．０５以上的碳纖維，所述燃料電池用多孔碳電極基材以碳纖維紙作為主要材料。本發明專利技術的燃料電池用電極基材，其碳纖維分散均勻，且具有柔軟性。因此本發明專利技術的碳纖維紙非常適合于制造這種電極基材。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
?碳纖維紙及使用該材料的燃料電池用多孔碳電極基材??????????????????????????????
本專利技術是關于碳纖維紙及使用該材料的燃料電池用多孔碳電極基材。??????????????????????????????
技術介紹
燃料電池用的電極必須具有氣體擴散、透過性，用于耐操作的強度、柔軟性，及電極制造時和組裝電極時的耐壓縮強度等必要的性能。此外，特別是固體高分子型燃料電池要求比磷酸型燃料電池小型化，電極也必須薄形化。作為這種燃料電池用的電極，使用碳纖維紙和碳纖維織物作為基材的燃料電池已成為主流，特別是在碳纖維紙中，碳纖維的分散狀態很重要。碳纖維之間不開松，以收縮狀態形成紙時，會造成厚度不勻，透氣性不勻，在電極基材上均一地涂布催化劑變得困難等問題。例如，在特開平11-185771號專利公報中，展示了使用碳纖維化、纖維直徑1～4μm的纖維，或者使用纖維直徑0.5～3μm的碳纖維的抄紙體。在使用這種細徑纖維時，有助于電極內部的電阻降低，但在加工成紙時，纖維分散非常困難，難以得到碳纖維分散均勻的碳纖維紙，用這個抄紙體作為電極基材場合，會發生厚度不勻等上述問題。??????????????????????????????
技術實現思路
本專利技術的目的是：克服上述這樣的問題，提供碳纖維的分散更加均勻，且有柔軟性的燃料電池用電極基材，及適用于制造該電極基材的合適的碳纖維紙。根據本專利技術，提供了一種其特征在于含有表面積比(表面積比)在1.05以上的碳纖維的碳纖維紙。上述碳纖維的平均直徑小于5μm是合適的。上述碳纖維的平均直徑大于3μm是合適的。上述碳纖維以平均纖維長度在2mm以上、18mm以下為宜。更好的是在3mm以上、6mm以下。較好的是，用濕式抄紙法得到的碳纖維紙。在用濕式抄紙法得到的碳纖維紙中，碳纖維紙的抄紙方向的拉伸強度MD強度，和與抄紙方向成90度的寬方向的拉伸強度CMD強度之比，即MD強度/CMD強度，較好的-->是在1.0以上、2.5以下。根據本專利技術，提供了以具有上述碳扦維紙為特征的燃料電池用多孔碳電極基材。本專利技術的燃料電池用多孔碳電極基材具有這樣的結構：在上述燃料電池用多孔碳電極基材中，層壓二張以上的含有碳化樹脂的碳纖維紙，較好的是，該碳纖維紙中至少一張為含有上述表面積比中1.05以上的碳纖維的碳纖維紙。較好的是，在上述燃料電池用多孔碳電極基材中，含有上述碳化樹脂的多層碳纖維紙由相同材料組成，更具有形成其同一面分別成為表側面的層壓的結構。或者，作為含有上述碳化樹脂的碳纖維紙，較好的是，與含有的上述表面積比在1.05以上的碳纖維的碳纖維紙作為第1碳纖維紙不同，至少具有一張以含有平均直徑在6μm以上、20μm以下，且平均纖維長度為2mm以上、18mm以下的碳纖維的碳纖維紙作為第2碳纖維紙。較好的是，在燃料電池用多孔碳電極基材中，含有上述表面積比在1.05以上的碳纖維的碳纖維紙至少設置于一側的最外層，該最外層的碳纖維紙的外側面的表面粗糙度在5μm以下。較好的是，燃料電池用多孔碳電極基材，其厚度在0.05mm以上、0.5mm以下，體積密度在0.3g/cm3以上、0.8g/cm3以下，且在應變速度為10mm/分、支點間距離為2cm及試驗片寬度1cm條件下的3點彎曲試驗中，彎曲強度在50MPa以上，且彎曲時的撓度在1.5mm以上。較好的是，燃料電池用多孔碳電極基材的拉伸強度在25Mpa以上。較好的是，燃料電池用多孔碳電極基材可卷曲在外徑40cm以下的輥筒上，且其長度在1m以上。較好的是，燃料電池用多孔碳電極基材含有碳化樹脂在10質量％以上、50質量％以下。較好的是，在燃料電池用多孔碳電極基材中，碳纖維紙的抄紙方向的面電阻MD面電阻和與抄紙方向成90度寬度方向的面電阻CMD面電阻之比，即MD面電阻/CMD面電阻，在1.0以上、2.5以下。??????????????????????????????附圖說明圖1為用于說明本專利技術的電極基材的一種形態的示意圖；圖2為用于說明本專利技術的電極基材的其他形態的示意圖；圖3為用于說明制造本專利技術的電極基材時能用的連續式加熱滾壓裝置的示意圖；-->圖4為用于說明制造本專利技術的電極基材時所用的雙層傳送帶加壓裝置的示意圖；圖5為用于說明制造層壓有多張碳纖維紙結構的電極基材的雙層皮帶加壓裝置的示意圖。圖中，1，1’，1”：浸漬樹脂的碳纖維紙；2：涂覆脫膜劑的基材；3a，3b：環形皮帶裝置；4：預熱區；5：加熱加壓區；10：浸漬樹脂的碳纖維紙的抄紙里面；11：浸漬樹脂的碳纖維紙的抄紙外面；20：中心線。???????????????????????????具體實施方式本專利技術的碳纖維紙是由含有表面積比在1.05以上的碳纖維組成。(以下有時叫做高表面積比碳纖維)碳纖維根據其前驅體的制造方法，其纖維表面構造或者平滑，或者呈凹凸狀。例如把碳纖維的前驅體纖維進行濕式紡絲得到的丙烯酸纖維表面，形成由原纖維結構帶來的凹凸狀結構，一般該表面結構延續至碳纖維。因而，由濕式紡絲前驅體纖維能得到高表面積比的碳纖維。由這個表面構造的形態，使纖維具有不同的摩擦系數。特別是表面積比高的纖維，其摩擦系數變低，由此使得纖維不易成束，易開松，因此是理想的結構。根據上述高開松性觀點，表面積比在1.05以上的碳纖維，由于上述理由，其開松性提高，因此在抄紙工藝中的束狀碳纖維的收束物減少，碳纖維更加均勻分散。在本專利技術的碳纖維中，從極力減少收束物的形成的觀點，較好的是，含有上述高表面積比的碳纖維50質量％，更好的是含有70質量％以上。同樣，從提高開松性觀點來看，較好的是，含于碳纖維紙中的所有碳纖維，都是上述高表面積比的碳纖維。此外，較好的是，在本專利技術中使用的上述高表面比碳纖維的平均直徑小于5μm。由于使用這樣細徑的碳纖維，可以實現多孔電極基材的彎曲強度、柔軟性及高導電性。若碳纖維紙中的碳纖維都是平均直徑在5μm以上的碳纖維，則碳纖維紙柔軟性變差，纖維間的粘結點有減少傾向，用這種碳纖維紙制作電極，有電阻變大傾向的缺點。另一方面，-->從抄紙中碳纖維的分散性觀點來看，上述高表面比碳纖維以其平均直徑大于3μm為好。若平均直徑超過3μm，則碳纖維紙變得致密，可防止透氣性降低，為理想。此外，上述高表面積比碳纖維的平均纖維長度，從電極基材的強度和碳纖維的均勻分散性觀點來看，則以2mm以上、18mm以下為好，更好的是在2mm以上、10mm以下，3mm以上、6mm以下為最好。由于纖維長度在2mm以上，則能夠很好地防止纖維相互之間的交纏、絡合變少，得到強度優良的電極基材。又，如果上述高表面積比碳纖維的平均纖維長度在18mm以下，則在纖維的分散介質中的分散性優良，能夠得到抑制分散不勻的碳纖維紙。本專利技術的碳纖維紙中含有的碳纖維可以是聚丙烯腈系碳纖維，瀝青樹脂系碳纖維，人造絲系碳纖維等之任意一種。但以機械強度比較高的聚丙烯腈系碳纖維為好，特別是碳纖維紙中的碳纖維僅僅由聚丙烯腈系碳纖維組成為好。這里所說的所謂聚丙烯腈系碳纖維，是指用以丙烯腈為主要成分的聚合物為原料制成的。聚丙烯腈系碳纖維可經由，例如：以丙烯腈等碳纖維紡絲的制絲工序；在200℃以上、400℃以下的空氣氣氛中，加熱灼燒該纖維，使其轉化成氧化纖維的阻燃化工序；然后在氮、本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳纖維紙，其特征在于，所述碳纖維紙含有表面積比在１．０５以上的碳纖維。

【技術特征摘要】
JP 2002-4-17 114725/20021.一種碳纖維紙，其特征在于，所述碳纖維紙含有表面積比在1.05以上的碳纖維。2.如權利要求1所述的碳纖維紙，其特征在于，上述碳纖維的平均直徑在5μm以下。3.如權利要求1或2所述的碳纖維紙，其特征在于，上述碳纖維的平均直徑大于3μm。4.如權利要求1-3中任一項所述的碳纖維紙，其特征在于，上述碳纖維的平均纖維長度在2mm以上、18mm以下。5.如權利要求4所述的碳纖維紙，其特征在于，上述碳纖維的平均纖維長度在3mm以上、6mm以下。6.如權利要求1-5中任一項所述的碳纖維紙，其特征在于，所述碳纖維紙由濕式抄紙法得到。7.如權利要求6所述的碳纖維紙，其特征在于，所述碳纖維紙的抄紙方向的拉伸強度，即MD強度和與抄紙方向成90度的寬度方向的拉伸強度，即CMD強度之比，MD強度/CMD強度在1.0以上、2.5以下。8.一種燃料電池用多孔碳電極基材，其特征在于，所述多孔碳電極基材具有權利要求1～7中任一項所述的碳纖維紙。9.如權利要求8所述的燃料電池用多孔碳電極基材，其特征在于，所述燃料電池用多孔碳電極基材具有兩層以上層壓了含有碳化樹脂的碳纖維紙的結構，所述碳纖維紙至少一張為含有上述表面積比在1.05以上的碳纖維的碳纖維紙。10.如權利要求9所述的燃料電池用多孔碳電極基材，其特征在于，含有上述碳化樹脂的多張張碳纖維紙由同一種材料組成，且具有由其相同的面分別形成外表側的層壓結構。11.如權利要求9所述的燃料電池用多孔碳電極基材，其特征在于，作為含有上述碳化樹脂的碳纖維紙，所述的燃料電池用多孔碳電極基材具有至少一張張不...

【專利技術屬性】
技術研發人員：浜田光夫，大橋英彥，三原和茂，千葉知義，中村誠，
申請(專利權)人：三菱麗陽株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]