[发明专利]碳纤维无纺布和使用了其的固体高分子型燃料电池的气体扩散电极、固体高分子型燃料电池、碳纤维无纺布的制造方法以及复合片材

说明书

技术领域

本发明涉及适合于固体高分子型燃料电池的气体扩散电极基材的碳纤维无纺布、及其制造方法和复合片材。

背景技术

由碳纤维制成的纺织编织物?无纺布由于适合于电极基材而广受研究，由于化学稳定且具有适度的压缩应力，因此特别适用于固体高分子型燃料电池的气体扩散电极。

用于这种用途时，要求由碳纤维制成的纺织编织物?无纺布以高水平兼顾气体、液体的透过性和导电性。例如，专利文献1中公开了碳纤维的切割纤维在二维平面内随机层叠而成的碳纤维片材，从气体、液体的透过性的观点出发，将煅烧后的残碳率低的热塑性树脂网用作碳纤维片材的中间增强层，由于网部分在煅烧后消失，从而在片材内部具有多个100~300μm的空隙。

另外，必须的是，固体高分子型燃料电池的气体扩散电极对片材厚度方向的导电性高，例如专利文献2中公开了：与碳纤维片材相比，可期待利用针刺法使纤维轴朝向厚度方向的碳纤维无纺布的电阻值变小、即导电性变高。

        现有技术文献

        专利文献

专利文献1：日本特开2008-44201号公报

专利文献2：日本特开2002-194650号公报。

发明内容

        发明要解决的课题

专利文献1中公开的碳纤维片材通过空隙而能够容易地透过气体、液体，但增加空隙时难以获得高导电性，反之，减少空隙时存在降低气体、液体的透过性这一问题。

专利文献2中公开的碳纤维片材利用碳纤维的纤维轴方向的导电性比截面方向优异这一情况，通过使纤维轴朝向厚度方向，从而实现碳纤维片材的厚度方向的导电性的提高。但是，与用粘接剂将利用抄造法得到的网进行固定而成的无纺布、纺织编织物相比，利用针刺法得到的无纺布的表观密度低，需要利用压缩处理来提高表观密度、提高导电性和机械物性。因此，进行压缩处理时存在如下问题：利用针刺而朝向厚度方向的纤维轴发生弯曲或移动从而朝向面方向，实际上使纤维轴朝向厚度方向的效果基本消失。另外，即使不使纤维轴朝向厚度方向而压缩处理至能够获得充分导电性的程度的表观密度时，仅会减小空隙的尺寸，减小气体、液体的透过性。

本发明的课题在于，提供气体、液体穿过时的阻抗小且热、电在厚度方向上的阻抗小的碳纤维无纺布，该碳纤维无纺布尤其适合于固体高分子型燃料电池用气体扩散电极。

        用于解决问题的手段

本发明人等发现：通过利用针刺和/或水刺对纤维网与压缩时成为间隔物的布帛进行结合，并且使至少一部分纤维朝向厚度方向，其后进行压缩和煅烧，从而能够在使纤维轴朝向厚度方向的状态下压缩至一定的表观密度，并且通过进行煅烧而使布帛消失从而形成适度的空隙，能够以高水平兼顾气体、液体的透过性能和厚度方向的导电性。

即，用于实现前述课题的本发明的碳纤维无纺布具有直径20μm以上的空隙，至少一部分碳纤维从一个表面连续至另一个表面，表观密度为0.2~1.0g/cm³。

另外，作为本发明的碳纤维无纺布的另一方式，其具有直径20μm以上的空隙，至少一部分碳纤维彼此相互交织，进而，至少一部分碳纤维向厚度方向取向，表观密度为0.2~1.0g/cm³。

另外，本发明的碳纤维无纺布的制造方法具备如下工序：将由碳化收率为30%以上的纤维制成的网与碳化收率为20%以下的纤维布帛进行层叠，利用针刺和/或水刺进行结合的结合工序；热压所结合的前述网与前述纤维布帛而制成复合片材的热压工序；以及，煅烧该复合片材而进行碳纤维化的煅烧工序。

进而，本发明的复合片材包含碳化收率为30%以上的纤维和碳化收率为20%以下的纤维布帛，碳化收率为30%以上的纤维中的至少一部分贯穿碳化收率为20%以下的纤维布帛。

        发明的效果

通过本发明，能够提供气体、液体穿过时的阻抗小且热、电在厚度方向上的阻抗小的碳纤维无纺布，该碳纤维无纺布尤其适合于固体高分子型燃料电池用气体扩散电极。

        附图标记说明

图1是本发明的复合片材的剖面的扫描型电子显微镜照片

图2是本发明的碳纤维无纺布的剖面的扫描型电子显微镜照片

图3是本发明的碳纤维无纺布的表面的扫描型电子显微镜照片。

具体实施方式