JPH0251480A - 多孔質炭素板の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は燃料電池の電極、濾過材、断熱材などに使用さ
れる炭素板の製造法に関する。

従来の技術 燃料電池の電極等に使用される多孔質炭素板としてはピ
ッチ短繊維を抄造してシートとし、不融化、炭化する方
法（特開昭５０−１２１５０５）　、有機繊維とバルブ
の混合物からシートをつくり、これにポリマーを含浸し
、炭化する方法（米国特許４８１９７９Ｂ）がある。

その他ポリアクリロニトリル（ＰＡＮという）系繊維の
フィラメントを不融化処理した後切断し、その短繊維で
シートを形成し、これを炭化するがその際シートに結合
材を加える方法（米国特許４０８４２０７）、結合材な
しの方法（米国特許４０８０４１３）がある。

発明が解決しようとする課題 ピッチ短繊維のシートを炭化する方法は、ピッチ系炭素
繊維がＰＡＮ系炭素繊維に較べて弱く、また短繊維のシ
ートであるため不融化工程で張力をかけられず、そのた
めにも強度の高い炭素繊維とならない。さらにシートに
はグリコール等の添加材を用いているが、ピッチや熱硬
化性樹脂を添加していないので、炭素材の曲げ強度等が
低い。

有機繊維とバルブの混合シートの上記方法も不融化工程
での張力がないので炭化後の繊維の強度が弱い。

ＰＡＮ系繊維のフィラメントを不融化処理して切断し、
その短繊維を用いてシートにする方法は、不融化工程で
張力をかけることは可能であるが、各フィラメントが互
いに融着することなく不融化されるので、フィラメント
同志の接点における融着結合がなく、そのため炭素板に
おける繊維の強化作用が十分でない。

本発明の目的は繊維強化の多孔質炭素板において、繊維
の強度を大きくし、かつ繊維と結合材の濡れ性をよくし
て多孔質炭素板の強度、電気伝導性の向上を図ることに
ある。

課題を解決するための手段 ＰＡＮ系繊維の織布又は不織布を張力下で不融化処理す
れば、得られる炭素繊維の強度が上るばかりでなく、フ
ィラメントが交差する点では不融化工程で融着が起り、
結合する。そのため繊維の絡みあった状態での結合が良
好となる。また不融化繊維はピッチ等の有機結合材との
濡れ性がよいので、炭化後の繊維と結合材の炭化物の結
着性がよい。

本発明はこれらの知見の基づいてなされたもので、その
要旨はＰＡＮ系繊維の織布又は不織布を張力下で不融化
処理し、これにピッチ等の有機結合材を含浸し、非酸化
性雰囲気下で炭化することからなる多孔質炭素板の製造
法である。

では織布の外に不織布を用いることができるが、不融化
工程で張力をかけるので、用いられる繊維はある程度以
上の長いものが必要である。

織布又は不織布の厚さは厚過ぎると内部までの不融化が
むずかしく、また有機結合材の均一な含浸にも支障を来
たすので、１ｍｍ以下程度の厚みにし、これを積層し、
あるいは有機結合材の含浸後積層することが好ましい。

不融化は空気等の酸化性雰囲気下で加熱して行なう。そ
の条件はＰＡＮフィラメントから炭素繊維をつくるとき
の不融化と同様であり、例えば１８０〜２５０℃程度で
ある。この際に張力をかけることも知られている。織布
又は不織布に張力をかける場合、直交する２方向にかけ
るのが望ましいが、連続工程で不融化する場合は、２方
向張力はむずかしいので、織布又は不織布を送り出す方
向に引張力を与える一方向でもよい。張力の大きさは公
知のフィラメントの不゛融化における張力に相当するも
のでよい。

不融化した織布又は不織布は次に有機結合材を含浸する
。この際目的とする炭素板の厚みに応じて積層してから
含浸してもよい。積層しても有機結合材の含浸には特に
支障はない。また含浸後の織布又は不織布を積層するこ
ともできる。

有機結合材の含浸は不融化した織布又は不織布を容器内
で先ず真空下に置き、これに液状にした有機結合材を注
ぎ、次いで加圧するのが望ましい。

有機結合材の種類はピッチ、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹
脂等が使用できる。熱硬化性樹脂としてはフェノール樹
脂、フラン樹脂等であり、熱可塑性樹脂はタール、ピッ
チ、石油樹脂等が例示できる。

これらの結合材は目的とする多孔質炭素板によって選択
され、例えば、燃料電池の電極としては電気電導性が高
いことが要求されるので、樹脂系よりはピッチが望まし
い。気孔率の高い炭素板を得るには炭化率の低い熱可塑
性樹脂でもよいが、ピッチや熱硬化性樹脂を少なくして
用いることもできる。

有機結合材の量は目的とする炭素板、その気孔率によっ
て異なるが、燃料電池の電極には含浸後の総量中ピッチ
が２０〜４０％（重量％、以下同じ）が好ましい。しか
し−船釣には有機結合材は最低１０％位から最高は織布
又は不織布の気孔を殆んど充填する量まで可能である。

この量は通常のＰＡＮ不融化の織布又は不織布では約１
００％である。

有機結合材の含有量は含浸後に織布又は不織布を圧搾し
、余分の結合材を排田することによっても調節できる。

含浸後、熱硬化性樹脂の場合は２００℃位迄に加熱して
樹脂を硬化し、その後に炭化することが好ましい。

炭化は非酸化性雰囲気で一般的には１０００℃以上で行
なう。また必要により２５００℃以上にして黒鉛化する
こともできる。焼成は炭素板の反りを防ぐため、例えば
黒鉛板の間に挟んで行なうが、この際圧力をかけると緻
密にな・り易いので、なるべく圧力がかからないように
する。

作用及び効果 本発明ではＰＡＮの織布又は不織布を不融化するので、
繊維が交差する点では融着し、結合する。

そのために炭化後の炭素板の炭素繊維による強化作用が
大きくなる。またＰＡＮを用い、張力下で不融化してい
るので炭素板の中での炭素繊維の強度が他の繊維に較べ
て大となる。不融化繊維は結合材との濡れ性がよく、繊
維と結合材の炭化物との結合性がよい。また不融化繊維
はその後の炭化工程で揮発分を放出し、収縮しながら炭
素繊維となる。この収縮も炭素板の強化作用に寄与する
。

ＰＡＮ系の繊維は一般にセルロース系の繊維に較べて太
いので、これを用いた多孔質炭素板の気孔が大きくなる
。燃料電池の電極の気孔としてはＰＡＮ系樹脂を用いた
ものが適合する。

本発明の炭素板は多孔質の割には強度が大きく、また電
気伝導性もよい。この炭素板の気孔径及び気孔率は、製
造条件によっても変るが、−船釣な範囲で示せば、気孔
径５〜１００μｓ、気孔率４０〜８０％であり、また曲
げ強度は１００〜３００　ｋｇ／ｃｄ、電気抵抗０．０
０１〜０．０３Ω■である。不融化工程の張力が一方向
の場合、張力の方向の強度、電気伝導性は高くなるが、
多くは織布又は不織布を積層されるので、その際張力の
方向を互い違いになるように積層することにより、殆ん
ど異方性のない炭素板となる。前記の特性値はこの場合
のものを示す。

実施例 ＰＡＮ繊維（直径約１０−）の織布（厚さ０．５ｍｍ）
を空気中２２０℃で２０分間不融化処理した６織布は幅
４０ｃｍ５長さ４０ｃｍで長さ方向に０．５ｋｇの張力
をがけて不融化した。

不融化後の織布から３０ｈ＋ｍ角に切り出し、その１５
枚を交互に張力の方向が直角になるように積層した。こ
の積層体を２枚のステンレス板に殆んど圧力のかからな
い状態で挟持し、ステンレス板の４隅をボルトで固定し
た。これを２００”Ｃの熱風で予熱し、ピッチ充填槽に
入れ、槽内を真空脱気し、次いで２００℃の液状ピッチ
を注ぎ、さらにＮ２ガスを導入して５　ｋｇ　／　ｃｄ
で加圧した。なおこのピッチの軟化点は９０℃である。

含浸後の不織布はステンレス板に挾持したままＮ２ガス
雰囲気下、７２時間で６００℃に上げて炭化した。炭化
物をステンレス板から外し、黒鉛化炉で７２時間で２５
００℃まで加熱し、黒鉛化した。得られた多孔質黒鉛板
は２５０ｍｍ角、厚さ３ｍｍであった。

比較例 特開昭５０−１２１５０５の第４表のデータの１部及び
米国特許４１３１９７９Ｂの表２のデータの１部を夫々
比較例１及び比較例２として表１に示す。

（以下余白）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポリアクリロニトリル系繊維の織布又は不織布を
   張力下で不融化処理し、これに有機結合材を含浸し、非
   酸化性雰囲気下で炭化することを特徴とする多孔質炭素
   板の製造法。
2. （２）第１項の有機結合材を含浸後、積層し、非酸化性
   雰囲気下で炭化することを特徴とする多孔質炭素板の製
   造法。