[发明专利]碳纤维无纺布、碳纤维无纺布的制造方法和碳纤维前体纤维无纺布

说明书

技术领域

本发明涉及适合用于燃料电池、特别是固体高分子型燃料电池的气体扩散电极的碳纤维无纺布、碳纤维无纺布的制造方法和用于该碳纤维无纺布的制造的碳纤维前体纤维无纺布。

背景技術

在通过使燃料和氧化剂反应从而发电的燃料电池体系当中，特别是固体高分子型燃料电池可以在100℃左右的比较低的温度下进行发电，并且输出密度高，因此用在通过电动发动机来行进的汽车的电源、家庭用热电联产体系等中。

通常，固体高分子型燃料电池用电解质膜分隔含有氢的燃料气体和含有氧的氧化剂气体，供给燃料气体侧称为阳极侧，供给氧化剂气体侧称为阴极侧。在阳极侧的隔膜沟中供给的燃料气体向接触隔膜的气体扩散电极内扩散，通过配置在气体扩散电极的另一面（与接触隔膜侧相反的面）上的阳极催化剂层分离为电子和质子。电子介由催化剂层的碳粒子、构成气体扩散电极的碳纤维从而与燃料电池外部的负载（装置）相连接，由此可以提取出直流电流。该电子经过阴极的气体扩散电极，通过阳极催化剂层产生的质子介由电解质膜向阴极催化剂层移动。此外，含有氧的氧化剂气体被供给至阴极侧的隔膜沟，向接触隔膜的气体扩散电极内扩散，通过配置在气体扩散电极的另一面上的阴极催化剂层，与质子、电子一起生成水。生成的水介由气体扩散电极从催化剂层向阴极侧的隔膜沟移动，经由隔膜沟内向燃料电池外排出。

在固体高分子型燃料电池中，如果为了得到导电性、热传导度而使气体扩散电极致密化，则存在对于反应而言必要的氢和氧的扩散变得不充分的情况。此外，存在下述情况：在反应中生成的水填塞催化剂层、气体扩散电极的空隙，阻碍氢、氧的输运，也即是发生阻塞，由此得不到高发电效率。另一方面，当对电解质膜、催化剂层的离聚物的加湿不充分从而干燥推进、也即是发生干透时，也不出意料地存在得不到高发电效率的情况。针对这些课题，虽然通过将气体扩散碳纤维无纺布用氟树脂等进行拨水处理的方法、在气体扩散电极中形成包含氟树脂和导电粒子的微小孔层（以下称为微孔层）的方法等来试图改善水的排出，但其效果不充分，还需要进一步的改善。

例如，在专利文献1和2中，公开了将在通道侧形成有具有开口的孔的碳纸作为气体扩散电极，由此可以经由孔将生成的水顺畅地排出的技术。

在专利文献2和3中，公开了在气体扩散碳纤维无纺布上通过激光加工形成深度为厚度的20~80%的非贯通孔，由此兼顾生成的水的排水和电解质膜、催化剂层的离聚物的保湿性的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-111226号公报

专利文献2：日本特开2009-211928号公报

专利文献3：日本特开2011-96385号公报。

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，作为优选的方式记载了在碳纤维无纺布的厚度方向上设置贯通孔。这虽然有抑制阻塞的效果，但留下了因电解质膜、催化剂层的离聚物的干燥而导致的干透的课题。

在专利文献2和专利文献3中，公开了通过激光、机械加工在气体扩散电极上形成非贯通孔的技术。这样的非贯通孔与贯通孔相比，虽然变得容易抑制电解质膜、催化剂层的离聚物的干燥，但是不能避免保湿性的下降。

解决课题的手段

为了解决上述课题的本发明是碳纤维无纺布，其在表面分散形成有多个非贯通孔，所述非贯通孔具有大于碳纤维无纺布的平均孔面积的开口面积，在非贯通孔的周边部观察不到断裂纤维。

发明效果

通过将本发明碳纤维无纺布用于气体扩散电极，可以制作燃料电池，所述燃料电池以高水平兼顾抑制因从气体扩散电极的排水等而导致的阻塞和抑制因电解质膜、催化剂层的离聚物的保湿等而导致的干透。

附图简要说明

图1：由实施例1得到的本发明的碳纤维无纺布的表面的扫描型电子显微镜照片。

图2：由实施例2得到的本发明的碳纤维无纺布的表面的光学显微镜照片。

图3：由实施例3得到的本发明的碳纤维无纺布的截面的扫描型电子显微镜照片。

具体实施方式

<碳纤维无纺布>

以下，以将本发明的碳纤维无纺布用作固体高分子型燃料电池用的气体扩散电极的情况作为实例进行说明。