[发明专利]多孔碳片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔碳片。本发明的多孔碳片含有碳短纤维和树脂碳化物，碳短纤维通过树脂碳化物粘接。另外，本发明还涉及多孔碳片的制造方法。

本发明的多孔碳片同时具有用作燃料电池的气体扩散体的碳纸所需要的多种特性。以往没有同时满足这些多种特性的多孔碳片。具体来说，本发明的多孔碳片全部同时满足透气性高、导电性高、压缩后的残余变形量(残留变形)小。

本发明的多孔碳片优选用作汽车用固体高分子型燃料电池的气体扩散体材料。

背景技术

固体高分子型燃料电池是通过供应氢和氧来发电，通过发电反应生成水。构成燃料电池发生发电反应的膜-电极接合体的气体扩散体材料通常采用将碳纤维用树脂碳化物粘接而成的碳纸。在汽车等要求高输出密度的用途中，是在电流密度高的区域运转燃料电池，因此单位反应面积产生的水的量也增加。这种情况下，如何高效将反应的生成水排出是重点，用作燃料电池气体扩散体材料的碳纸要求高的透气性。

针对上述课题，专利文献1中是通过适当的压力对含浸在碳纤维纸中的热固性树脂的量减少的前体纤维片进行加热加压处理。通过这种方法可以在保持碳纤维的密度的同时减少粘接碳的量，使碳纸低密度化，使厚度方向的透气性提高。但是，如果减少粘接碳的量，则碳纤维与树脂碳化物的粘接点数减少，因此有碳纸厚度方向的比电阻增大的问题。因此专利文献1所述的碳纸中，厚度方向的透气性与厚度方向的比电阻存在取舍选择的关系，难以充分满足两者。

专利文献2中是不对在单位面积重量低的碳纤维纸中含浸石墨颗粒和热固性树脂的前体纤维片进行加热加压处理，只进行加热处理。由该制造方法得到的碳纸碳纤维密度降低，但导电性高的石墨颗粒密度升高，因此可以同时实现通过面的低电阻率和高空气透过性。但是，碳纸的机械强度与碳纸中所含的碳纤维密度有很大的相关性，因此专利文献2所述的碳纸存在沿厚度方向压缩后残余变形量(殘留変形量)大的问题。

使用厚度方向压缩后残余变形量大的碳纸堆叠成燃料电池，则碳纸会落入设于隔膜上的沟槽中，阻塞气体通路，碳纸的厚度随时间减少，引起与隔膜的导电不良，成为电池性能降低的原因。

并且专利文献2记载的不进行前体纤维片的加压加热处理的碳纸制造方法中，所得碳纸的厚度是根据前体纤维片的组成和单位面积重量而进行加热处理的情况决定的。因此，很难适当地控制所得碳纸的厚度。另外，前体纤维片的组成和单位面积重量的不均会直接引起碳纸厚度精度降低，不优选。

如上所述，在现有技术中，很难提供完全满足对作为燃料电池的气体扩散体的碳纸所要求的透气性高、导电性高、压缩后的残余变形量小的特性的碳纸。

本发明的目的在于提供一种碳纸，其可全部同时满足以往难以全部同时满足的对作为燃料电池气体扩散体的碳纸所要求的特性，具体来说，透气性高、导电性高、压缩后的残余变形量小的特性。

专利文献1：日本特开平9-157052

专利文献2：日本特开2004-31326

发明内容

本发明为了上述目的，着眼于碳纸的微孔径，发现通过适当控制其范围，可以获得现有技术难以实现的厚度方向的透气性、导电性、压缩后的残余变形量的所有方面均优异的碳纸。

本发明是在将含有碳短纤维和热固性树脂的前体纤维片进行加热成型处理的成型工序中，通过用设置一定间隔的热板成型，可适当控制所得碳纸的微孔径。

本发明的多孔碳片是将分散的碳短纤维用树脂碳化物粘接得到的多孔碳片，其特征在于：上述片所具有的微孔的微孔模径为45～90μm，上述碳短纤维的平均纤维直径为5～20μm。

本发明的多孔碳片中，优选在上述片的厚度方向透过14cm³/cm²/秒的空气时的差压为1～10mmAq/mm。

本发明的多孔碳片中，优选厚度方向的体积电阻率为30～300mΩ·cm。

本发明的多孔碳片中，优选厚度方向压缩的残余变形量(残余变形)为3～15μm。

本发明的多孔碳片中，优选密度为0.15～0.35g/cm³。

本发明的多孔碳片中，优选厚度为100～250μm。

本发明的多孔碳片中，优选含有碳质粉末。