JP2012167400A

JP2012167400A - 貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法

Info

Publication number: JP2012167400A
Application number: JP2011028731A
Authority: JP
Inventors: Nobuya Komura; 伸弥小村; Mitsunao Tsunoda; 三尚角田; Eiichi Yasuda; 榮一安田
Original assignee: Teijin Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Teijin Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
【解決手段】以下（１）〜（６）の工程よりなる貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。（１）熱可塑性樹脂と、レーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、等々から選ばれる少なくとも１種の熱可塑性炭素前駆体繊維を形成する。（２）溶剤により熱可塑性樹脂を溶解除去して熱可塑性炭素前駆体繊維とし、その分散液を作製する。（３）前記熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した溶液を冷媒中に滴下させ、熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した凍結体を作製する。（４）前記凍結体を凍結乾燥させることにより、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体を形成させる。（５）前記低密度構造体を不融化処理した後、炭素化または黒鉛化し、極細炭素繊維綿状体を得る工程。（６）前記極細炭素繊維綿状体を、貴金属化合物溶液に浸漬させ、還元剤を添加することにより、極細炭素繊維綿状体の表面に貴金属を担持させる工程。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池用触媒に好適な貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法に関する。更に詳しくは、固体高分子形燃料電池の触媒層として有用な貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法に関する。

極細炭素繊維は高強度、高弾性率、高導電性、高熱伝導性、軽量等の優れた特性を有している事から、高性能複合材料のフィラーとして使用されている。その用途は、従来からの機械的強度向上を目的とした補強用フィラーに留まらず、炭素材料に備わった高導電性を生かし、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性樹脂フィラーとして、あるいは樹脂への静電塗料のためのフィラーとしての用途が期待されている。特に、炭素材料としての化学的安定性、高導電性を活かして、燃料電池システムの触媒層に使用する触媒担持基材やその添加剤として利用されている。（例えば、特許文献１を参照。）

このような、極細炭素繊維の製造法として、気相法、および樹脂組成物の溶融紡糸から製造する方法の２つが報告されている。
気相法を用いた製造法としては、例えばベンゼン等の有機化合物を原料とし、触媒としてフェロセン等の有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し、基盤上に生成させる方法（例えば、特許文献２を参照。）、浮遊状態で気相法により炭素繊維を生成させる方法（例えば、特許文献３を参照。）、あるいは反応炉壁に成長させる方法（例えば、特許文献４を参照。）等が開示されている。

しかし、これらの方法で得られる極細炭素繊維は、製造の際に使用する触媒金属が極細炭素繊維中に残存する。この残存触媒金属を除去するための処理を行うと、極細炭素繊維の繊維長が短くなったり、極細炭素繊維が凝集したりする問題があった。（例えば、特許文献５を参照。特開２００７−１９７３１４）

一方、樹脂組成物の溶融紡糸から極細炭素繊維を製造する方法としては、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物から前駆体繊維を形成した後、溶剤を用いて熱可塑性樹脂を除去して極細繊維状炭素前駆体を形成し、これを炭素化して製造する方法（例えば、特許文献６を参照）が開示されている。

該方法の場合、結晶性に優れ且つ分岐構造の少ない極細炭素繊維が得られるが、繊維状炭素前駆体が溶剤処理工程で折損し得られる極細炭素繊維長が短くなってしまったり、極細炭素繊維の集合体内に極細繊維が二次元に密に集積した構造が多く含まれたりするため、燃料電池触媒層として用いた場合に、電極内の抵抗が大きくなったり、極細炭素繊維表面上への触媒の均一担持が困難になるなどの問題があった。

特開２０１０−２７２４３７号公報特開昭６０−２７７００号公報特開昭６０−５４９９８号公報特許第２７７８４３４号公報特開２００７−１９７３１４号公報特開２０１０−１２６８６３号公報

本発明の目的は、上記従来技術が有していた問題を解決し、中間体である繊維状炭素前駆体の段階で折損による繊維長の減少を極力抑えて３次元的な繊維の絡みを持たせることで、固体高分子形燃料電池の触媒層として有用な貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術に鑑み鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の構成を要旨とするものである。

１．以下（１）〜（６）の工程よりなる貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
（１）熱可塑性樹脂１００質量部と、レーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、リグニンおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも１種の熱可塑性炭素前駆体１〜１５０質量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程。
（２）溶剤により前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶解除去して熱可塑性炭素前駆体繊維とし、その分散液を作製する工程。
（３）前記熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させ、熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した凍結体を作製する工程。
（４）前記凍結体を凍結乾燥させることにより、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体を形成させる工程。
（５）前記低密度構造体を不融化処理した後、炭素化または黒鉛化し、極細炭素繊維綿状体を得る工程。
（６）前記極細炭素繊維綿状体を、貴金属化合物溶液に浸漬させ、還元剤を添加することにより、前記極細炭素繊維綿状体の表面に貴金属を担持させる工程。
２．下記式（Ｉ）で表される熱可塑性樹脂を用いることを特徴とする上記（１）記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
３．前記式（Ｉ）で表される熱可塑性樹脂が、ポリ−４−メチルペンテンまたはその共重合体である、上記（２）記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
４．ピッチがメソフェーズピッチである上記（１）記載の貴金属担持極細炭素繊維の製造方法。
５．前記熱可塑性樹脂を溶解する溶剤が、シクロヘキサンである、上記（１）記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
６．前記（１）〜（５）のいずれかの製造方法により製造された貴金属担持極細炭素繊維綿状体。
７．前記（６）の貴金属担持極細炭素繊維綿状体を電極触媒として用いた燃料電池用電極。
８．前記（７）の燃料電池用電極を用いた膜電極接合体。
９．前記（８）の膜電極接合体を含む固体高分子型燃料電池。

本発明の製造方法によれば、貴金属触媒を担持した極細炭素繊維により３次元のネットワーク構造が形成されていることなどの特徴により、燃料電池用電極として優れて性能が発揮できることが判り、本発明に到った。

実施例１の操作における極細炭素繊維綿状の走査電子顕微鏡の写真図（撮影倍率１，０００倍）である。実施例１の操作における極細炭素繊維綿状体の走査電子顕微鏡の写真図（撮影倍率１０，０００倍）である。実施例１の操作で得られた白金担持極細炭素繊維綿状体の透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率８，０００倍）である。実施例１の操作で得られた白金担持極細炭素繊維綿状体の透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率４０，０００倍）である。比較例１で用いた気相成長炭素繊維の走査電子顕微鏡の写真図（撮影倍率１，０００倍）である。比較例１で用いた気相成長炭素繊維の走査電子顕微鏡の写真図（撮影倍率１０，０００倍）である。比較例１の操作で得られた白金担持気相成長炭素繊維の透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率８，０００倍）である。比較例１の操作で得られた白金担持気相成長炭素繊維の透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率４０，０００倍）である。比較例２の操作で得られた白金担持カーボンブラックの透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率８，０００倍）である。比較例２の操作で得られた白金担持カーボンブラックの透過型電子顕微鏡の写真図（撮影倍率４０，０００倍）である。

以下、本発明を詳細に説明する。
＜貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法＞
（１）熱可塑性樹脂１００質量部と、レーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、リグニンおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも１種の熱可塑性炭素前駆体１〜１５０質量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程

＜ａ．熱可塑性樹脂＞
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、前駆体繊維を形成した後に、熱可塑性樹脂を溶解する溶剤により除去される必要がある。このような熱可塑性樹脂として、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン等が好ましく使用される。これらの中でも繊維形成性に優れ、溶剤により溶解除去に好適な熱可塑性樹脂として、例えば下記式（Ｉ）で表されるポリオレフィン系の熱可塑性樹脂が好ましく使用される。

上記式（Ｉ）で表される化合物としては、ポリ−４−メチルペンテン−１やポリ−４−メチルペンテン−１の共重合体、例えばポリ−４−メチルペンテン−１にビニル系モノマーが共重合したポリマーなどや、ポリエチレンを例示することができ、ポリエチレンとしては、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレンなどのエチレンの単独重合体またはエチレンとα−オレフィンとの共重合体；エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体等が挙げられる。

エチレンと共重合されるα−オレフィンとしては、例えば、プロピレン、１−ブテン、１−ヘキセン、１−オクテンなどが挙げられる。他のビニル系単量体としては、例えば、酢酸ビニル等のビニルエステル、アクリル酸およびメタクリル酸、並びにこれら不飽和カルボン酸と炭素数１〜４の脂肪族アルコール類とのエステル化物が挙げられる。

また、本発明の熱可塑性樹脂は熱可塑性炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合、ガラス転移温度が２５０℃以下、結晶性の場合、結晶融点が３００℃以下であるものが好ましい。

＜ｂ．熱可塑性炭素前駆体＞
本発明の製造方法に用いられる熱可塑性炭素前駆体は、レーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、リグニンおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも１種である。

これらの熱可塑性炭素前駆体の中でも、酸素ガス雰囲気下またはハロゲンガス雰囲気下、２００℃以上３５０℃未満で２〜３０時間保持した後、次いで不活性ガス雰囲気下で３５０℃以上５００℃未満の温度で５時間保持することで、初期質量の８０質量％以上が残存する熱可塑性炭素前駆体を用いるのが好ましい。上記条件で、残存量が初期質量の８０質量％未満であると、熱可塑性炭素前駆体の繊維からなる低密度構造体から充分な炭素化率で黒鉛化された極細炭素繊維よりなる低密度構造体を得ることができず、好ましくない。

上記のような熱可塑性炭素前駆体の中でも、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、リグニンが好ましく、ピッチが更に好ましく、ピッチのうち一般的に高強度、高弾性率の期待されるメソフェーズピッチが特に好ましい。

メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相（液晶相）を形成しうるピッチである。メソフェーズピッチの原料としては石炭や石油の蒸留残渣を使用してもよく、有機化合物を使用しても良いが、不融化や炭素化または黒鉛化のしやすさから、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料としたメソフェーズピッチを用いるのが好ましい。

＜ｃ．熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物の製造＞
本発明の製造方法において用いられる熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物は、該熱可塑性樹脂１００質量部と該熱可塑性炭素前駆体１〜１５０質量部とを含むものであり、該熱可塑性炭素前駆体が５〜１００質量部であると好ましい。該熱可塑性炭素前駆体の量が１５０質量部を超えると所望の分散径を有する熱可塑性炭素前駆体が得られず、１質量部未満であると目的とする黒鉛化された極細炭素繊維よりなる低密度構造体を安価に製造する事ができない等の問題が生じるため好ましくない。

本発明で使用する混合物から、繊維径が２μｍ未満である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が０．０１〜５０μｍとなるのが好ましい。

熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が０．０１〜５０μｍの範囲を逸脱すると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性炭素前駆体の分散径のより好ましい範囲は０．０１〜３０μｍである。また、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物を、３００℃で３分間保持した後、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が０．０１〜５０μｍであることが好ましい。

一般に、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との溶融混練で得た混合物を、溶融状態で保持しておくと時間と共に熱可塑性炭素前駆体が凝集するが、熱可塑性炭素前駆体の凝集により、分散径が５０μｍを超えると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。

熱可塑性炭素前駆体の凝集速度の程度は、使用する熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との種類により変動するが、より好ましくは３００℃で５分以上、更に好ましくは３００℃で１０分以上、０．０１〜５０μｍの分散径を維持していることが好ましい。なお、混合物中で熱可塑性炭素前駆体は島相を形成し、球状あるいは楕円状となるが、本発明で言う分散径とは混合物中で熱可塑性炭素前駆体の球形の直径または楕円体の長軸径を意味する。

熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とから混合物を製造する方法は、溶融状態における混練が好ましい。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練は公知の方法を必要に応じて用いる事ができ、例えば一軸式混練機、二軸式混練機、ミキシングロール、バンバリーミキサー等からなる群より選ばれる１種類以上が挙げられる。これらの中で上記熱可塑性炭素前駆体を熱可塑性樹脂に良好にミクロ分散させるという目的から、二軸式混練機が好ましく使用され、二軸式混練機（同方向）であるとより好ましい。

上記の溶融混練温度としては１００℃〜４００℃で行うのが好ましい。溶融混練温度が１００℃未満であると、熱可塑性炭素前駆体が溶融状態にならず、熱可塑性樹脂とのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、４００℃を超える場合、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の分解が進行するためいずれも好ましくない。溶融混練温度のより好ましい範囲は１５０℃〜３５０℃である。また、溶融混練の時間としては０．５〜２０分間、好ましくは１〜１５分間である。溶融混練の時間が０．５分間未満の場合、熱可塑性炭素前駆体のミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、２０分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下し好ましくない。

上記の溶融混練により混合物を製造する際は、酸素ガス含有量１０体積％未満のガス雰囲気下で行うことが好ましい。本発明で使用する熱可塑性炭素前駆体は酸素と反応することで溶融混練時に変性不融化してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性ガスを流通させながら溶融混練を行い、できるだけ酸素ガス含有量を低下させることが好ましい。より好ましい溶融混練時の酸素ガス含有量は５体積％未満、更には１％体積未満である。

＜ｄ．前駆体繊維の形成＞
上記の熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物から前駆体繊維を製造する方法としては、混合物を紡糸口金より溶融紡糸することにより得る方法などを例示することができる。
溶融紡糸する際の紡糸温度としては１５０℃〜４００℃、好ましくは１８０℃〜３５０℃である。紡糸引取り速度としては１ｍ／分〜２０００ｍ／分である事が好ましい。

また、別法として熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練で得た混合物から、メルトブロー法により前駆体繊維を形成する方法も例示することができる。メルトブローの条件としては、吐出ダイ温度が１５０〜４００℃、ガス温度が１５０〜４００℃の範囲が好適に用いられる。メルトブローの気体噴出速度は、前駆体繊維の繊維径に影響するが、通常２０００〜１００ｍ／ｓであり、より好ましくは１０００〜２００ｍ／ｓである。メルトブロー法により前駆体繊維を形成する場合、不織布とすることもできる。

該混合物を溶融混練し、その後ダイより吐出する際、溶融混練した後溶融状態のままで配管内を送液し吐出ダイまで連続的に送液するのが好ましく、溶融混練から紡糸口金吐出までの移送時間は１０分間以内である事が好ましい。

（２）溶剤により前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶解除去して熱可塑性炭素前駆体繊維とし、その分散液を作製する工程
本工程においては、前記の工程にて得られた熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物の前駆体繊維と溶剤とを接触させて前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を除去して、熱可塑性炭素前駆体繊維とし、その分散液を作成する。

本工程において、前駆体繊維と溶剤とを接触させて前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を除去する方法としては、前駆体繊維と溶剤とを混合して前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶剤（液相）に溶出させた後、デカンテーションや濾過などにより固液分離するなどの公知の方法を用いることができ、このデカンテーションや濾過の際に、完全に固液分離せず、熱可塑性樹脂が溶出した液の一部を分離し、新たに溶剤を添加して更にデカンテーションまたは濾過を繰り返すことにより、液成分を熱可塑性樹脂が含まれない溶剤に置換し、熱可塑性炭素前駆体繊維が溶剤に分散した液を得る方法（以下、「溶剤置換法」と称することがある）も好ましい。また、ソックスレー抽出装置、バッテリー抽出機、ボールマン抽出機、ロトセル抽出機、ルルギ抽出機、ケネディ抽出機、バチューカタンク抽出機、ボノトー抽出機などの固液抽出装置を用いて上記と同様に前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶剤により除去する方法も好ましい。

本工程において用いる溶剤としては、選択した熱可塑性樹脂の溶解度が高く、熱可塑性炭素前駆体の溶解度が低いもの、例えば、ベンゼン、ヘキサン、エタノール、メタノール、ジエチルエーテル、アセトン、四塩化炭素、クロロホルム、酢酸、二硫化炭素、ペンタン、シクロヘキサン、ヘプタン、リグロイン、石油エーテル、ベンゼン、トルエン、キシレン、グリセリン、ピリジン、デカリンなど種々の有機溶媒よりなる群から、用いる熱可塑性樹脂の溶解性、取り扱い容易性などを考慮して、１種類以上を適宜選択することができる。熱可塑性樹脂として、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂類を採用する際は、それらの溶解性が優れているという点で、シクロヘキサン、ヘキサン、トルエン、キシレン、デカリンからなる群から選ばれる１種類以上が好ましく、ポリオレフィン樹脂類除去後の操作容易性から、シクロヘキサン、ヘキサン、トルエンからなる群から選ばれる１種類以上が特に好ましい。

熱可塑性樹脂の除去における上記溶剤の使用量は、前駆体繊維１００質量部に対し、１０００〜１００，０００質量部が好ましい。１０００質量部以下のときは、熱可塑性樹脂の除去が困難となり、好ましくない。また、１００，０００質量部より多いときは生産性が低下して好ましくない。より好ましい使用量は、１０，０００〜５０，０００質量部である。また、使用した溶剤は、蒸留等の方法により精製し、再利用することも可能である。

該溶剤で熱可塑性樹脂の除去処理を行う温度は、５０℃から２５０℃であると好ましい。当該温度が５０℃より低いと熱可塑性樹脂の除去に長時間を要するため好ましくなく、また、２５０℃より高いと得られるピッチ繊維が短くなり好ましくない。該除去処理温度としては６０〜２１０℃であるとより好ましい。

また、本工程において用いる上記溶剤には、ヨウ素を添加してもよい。ヨウ素を添加することにより、熱可塑性炭素前駆体（特に、ピッチ）の溶解を抑制することができることから好ましい。用いるヨウ素としては、市販されているヨウ素単体（Ｉ_２）の粉末、フレーク、粒状体、結晶品を使用できる。また、ヨウ化物塩を、先述したような溶剤に加え、そこに酸性物質や酸化剤を加えることにより、ヨウ素単体を遊離させて熱可塑性樹脂の除去に用いること等もできるが、副反応や分解物が少ないことや、安価で操作が簡便なことから、前記のようなヨウ素単体を、先述したような溶剤に溶解して用いる態様が好ましい。なお、添加するヨウ素の濃度としては、溶剤に対して０．１〜３０質量％であることが、ピッチの溶解を抑制しながら熱可塑性樹脂だけを除去することが出来ることから好ましい。ヨウ素の含有量が０．１質量％以下では、ピッチの溶解抑制効果が不十分でピッチ繊維の折損が起こり、繊維長が長いピッチ繊維を得ることができない恐れがあり、好ましくない。また３０質量％以上のときは、それ以上ヨウ素含有量が大きくても効果に影響はなく、製造コストが高くなるため好ましくない。好ましいヨウ素の含有量は０．１〜２質量％である。

本発明においては、上記のとおり、溶剤により前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶解・除去して得られた熱可塑性炭素前駆体繊維を更に溶媒に分散させて分散液（熱可塑性炭素前駆体繊維分散液）とする。この場合の溶媒は、上記の熱可塑性樹脂に除去に用いた溶剤と同じでも良く、異なったものでも良く、または、熱可塑性樹脂に除去に用いた溶剤と、それとは別の種類の溶媒との混合液でも良い。

該分散液を得る方法としては、前記の固液抽出等の方法により前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶解・除去する際に固液分離して熱可塑性炭素前駆体繊維を単離してから、溶媒に分散させても良いが、前記のとおり、前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去する際に、溶剤置換法により、該溶剤に熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した液を得る方法が、操作の簡便さの点で好ましい。

（３）前記熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させ、該分散液の凍結体を作製する工程
本工程では、前工程で得られた熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させ、該分散液の凍結体を作製する。該分散液を冷媒中に滴下することなく、そのまま冷却するなどして、凍結が徐々に進行させると、溶媒の結晶成長が大きくなり、その結晶成長により熱可塑性炭素前駆体繊維からなる繊維が排除され、熱可塑性炭素前駆体繊維からなる繊維が局所的に集合した粗密構造が形成されてしまい、結果的に極細炭素繊維綿状体を作製することができない。

該熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させる方法としては特に制限されず、例えば、連続的な滴下方法や、間欠的な滴下方法などのいずれの滴下方法であってもよい。
冷媒としては、分散液の溶媒の融点よりも低融点で、冷却および凍結を速やかに実施できるものであれば特に限定されないが、液体窒素や水が好ましい一例として挙げられる。この場合の水は氷水でもよく、また塩化カルシウムのような無機塩やメタノールなどの水溶性有機化合物を含むものであってもよい。
なお、上記のとおり熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させて得られた凍結体を更に、冷凍機などで冷凍してより低温の凍結体としても良い。

（４）前記凍結体を凍結乾燥させることにより、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体を形成させる工程
前記熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した凍結体を、凍結乾燥させることにより、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体を形成させる。この凍結乾燥により、凍結体中の溶媒などの易揮発成分が昇華し、得られる熱可塑性炭素前駆体繊維からなる繊維を嵩高くすることができることから、貴金属担持極細炭素繊維綿状体を作製するために、該凍結乾燥は非常に重要である。この凍結乾燥を行う温度、圧力は、使用する溶媒によって異なるが、通常は−３０〜０℃、３０〜１００Ｐａであると好ましい。凍結乾燥の時間は特に制限されないが、好ましくは１〜２４０時間であり、より好ましくは３〜１２０時間であり、更に好ましくは８〜７２時間であり、特に好ましくは１２〜６０時間である。

（５）前記低密度構造体を不融化処理した後、炭素化または黒鉛化し、極細炭素繊維綿状体を得る工程
本工程では、まず、前記工程で得られた低密度構造体について不融化処理を行う。
不融化の方法としては空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲンなどのガス気流処理、酸性水溶液などの溶液処理など公知の方法で行うことができるが、生産性の面からガス気流下での不融化が好ましい。使用するガス成分としては取り扱いの容易性から空気、酸素それぞれ単独か、あるいはこれらを含む混合ガスであることが好ましく、特にコストの関係から空気を用いるのが特に好ましい。使用する酸素ガス濃度としては、全ガス組成の１０〜１００体積％の範囲にあることが好ましい。酸素ガス濃度が全ガス組成の１０体積％未満であると、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体の不融化に多大の時間を要してしまうので好ましくない。

上記のガス気流下での不融化処理について、処理温度は５０〜３５０℃が好ましく、６０〜３００℃であるとより好ましく、１００〜３００℃であると更に好ましく、２００〜３００℃であると極めて好ましい。不融化処理時間は１０〜１２００分が好ましく、１０〜６００分であるとより好ましく、３０〜３００分であると更に好ましく、６０〜２１０分であると極めて好ましい。
上記不融化により熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体の軟化点は著しく上昇するが、所望の極細の炭素繊維を得るという目的から軟化点が４００℃以上となる事が好ましく、５００℃以上である事が更に好ましい。

上記のとおり不融化処理を受けた低密度構造体を不活性ガス雰囲気下での高温処理により炭素化または黒鉛化し、極細炭素繊維が綿花状に、３次元に絡まった構造を有する極細炭素繊維綿状極細体を得る。該極細炭素繊維綿状体を構成する極細炭素繊維の繊維径としては、最小値及び最大値が０．００１μｍ（１ｎｍ）〜２μｍの範囲にあることが好ましく、平均繊維径で０．０１μｍ〜０．５μｍ（１０ｎｍ〜５００ｎｍ）であるとより好ましく、０．０１μｍ〜０．３μｍ（１０ｎｍ〜３００ｎｍ）であると更に好ましい。

本工程における炭素化または黒鉛化の処理（熱処理）は公知の方法で行うことができる。使用される不活性ガスとしては窒素、アルゴン等があげられ、処理温度は５００℃〜３５００℃が好ましく、８００℃〜３０００℃であるとより好ましい。特に、黒鉛化処理温度としては２０００℃〜３５００℃が好ましく、２６００℃〜３０００℃であるとより好ましく、５００℃〜１８００℃で炭素化処理した後、上記の黒鉛化処理温度で黒鉛化処理するなど、複数の温度設定で炭素化または黒鉛化処理を行うことも好ましい。また、炭素化または黒鉛化の処理時間は、０．１〜２４時間であると好ましく、０．２〜１０時間であるとより好ましく、０．５〜８時間であると更に好ましい。なお、炭素化または黒鉛化する際の、酸素濃度は２０体積ｐｐｍ以下、更には１０体積ｐｐｍ以下であることが好ましい。

（６）前記極細炭素繊維綿状体を、貴金属化合物溶液に浸漬させ、還元剤を添加することにより、前記極細炭素繊維綿状体の表面に貴金属を担持させる工程
本工程では、極細炭素繊維綿状体に貴金属を担持させる。
燃料電池用の触媒としては、貴金属触媒が一般に利用される。貴金属としては、具体的には、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムのうちの少なくとも１種が例示されるが、触媒活性が高いことから白金が特に好ましい。

貴金属触媒の担持方法としては、極細炭素繊維綿状体を貴金属化合物（触媒前駆体）溶液に浸漬させることにより、該貴金属化合物を該極細炭素繊維綿状体の表面に吸着させた後、貴金属化合物を還元し貴金属粒子を析出させる方法が、貴金属粒子を均一に分散担持でき、活性の高い触媒形成し易い点などから好ましい。そのほか、貴金属微粒子の分散液中に極細炭素繊維綿状体を浸漬させ、貴金属微粒子を極細炭素繊維綿状体を構成する極細炭素繊維上に担持させる方法なども好ましい。

上記の貴金属化合物（触媒前駆体）としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物のうちの少なくとも１種の貴金属化合物が例示される。貴金属化合物（触媒前駆体）としては、貴金属が白金である場合には、ジニトロジアミン白金、ジニトロジアンミン白金（ＩＩ）、ヘキサアンミン白金（ＩＶ）塩化物、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸六水和物、テトラアンミン白金（ＩＩ）塩化物、塩化白金、塩化白金酸カリウム、四塩化白金酸カリウム等の白金化合物が例示される。
上記の貴金属化合物溶液の溶媒としては、該貴金属化合物が溶解性を有するものであれば、水、各種の有機溶媒、各種の無機溶媒のいずれでもよいが、安価であることから水が好ましい。

上記、触媒前駆体を還元する方法としては、極細炭素繊維綿状体を浸漬している溶液中に還元性のある化合物を添加する方法、極細炭素繊維綿状体上に付着した触媒前駆体を還元性のガス（水素など）により還元する方法、マイクロ波による加熱により触媒前駆体を熱分解させる方法などが一例として挙げられるが、極細炭素繊維綿状体を浸漬している溶液中に還元性のある化合物を添加する方法が好ましい一例として挙げられる。この場合の還元性のある化合物としては、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）及びヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）などよりなる群から得ればれる１種類以上を好ましいものとして使用できる。

また、触媒を担持させる極細炭素繊維綿状体を構成する極細炭素繊維の表面処理を、触媒担持前に予め行っておいてもよい。表面処理の方法としては、硝酸や硫酸などの酸性溶液に浸漬させる方法が一例として挙げられる。表面処理を行うことによって、該極細炭素繊維表面上に水酸基やカルボニル基などの官能基が導入されることにより触媒前駆体の吸着が促進されることから、より好ましい。

＜貴金属担持極細炭素繊維綿状体を触媒として用いた燃料電池用電極＞
上記本発明の製造方法により得られる貴金属担持極細炭素繊維綿状体は、燃料電池用、特に、固体高分子型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ、以下ＰＥＦＣと略記することがある）用の電極用の触媒（電極触媒）として好適である。ＰＥＦＣの基本部品は、カソード電極、プロトン伝導膜、及びアノード電極を貼り合わせ一体化した膜電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡと略）であり、本発明の貴金属担持極細炭素繊維綿状体は、カソード電極またはアノード電極のいずれにも使用できるが、特にカソード電極に好適である。

本発明の貴金属担持極細炭素繊維綿状体を電極触媒として、カソード電極またはアノード電極を作成する方法としては、白金担持カーボンブラックなどを電極触媒として用いる場合の公知の方法を適用することができる。例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のプロトン伝導高分子溶液に、本発明の極細炭素繊維綿状体を混合して電極ペーストを調製し、この電極ペーストを、カーボンペーパー等のガス拡散層となる多孔質のシートに塗布し、更に乾燥させて触媒層を形成させカソード電極またはアノード電極とすることができる。

カソード電極、プロトン伝導膜、及びアノード電極を貼り合わせてＭＥＡとする方法としてはホットプレスが一般的ではあるが、これには限らない。この際のプロトン伝導膜としてはＮａｆｉｏｎ（登録商標）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系陽イオン交換樹脂膜、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂膜、スチレン−ジビニルベンゼンスルフォン酸樹脂膜、スチレン−ブタジエンスルフォン酸樹脂膜等のプロトン交換膜等よりなる群から選ばれる１種類以上のものが使用可能である。

上記のように、本発明の貴金属担持極細炭素繊維を電極触媒として用いた燃料電池用電極を、カソード電極およびアノード電極のすくなくとも１つに、好ましくはカソード電極に、用いた膜電極接合体（ＭＥＡ）は、従来の貴金属触媒を用いたＭＥＡよりも発電特性が極めて優れている。

ＰＥＦＣでは、上記のように作成されたＭＥＡを反応ガスの供給流路が形成された導電板で挟みこんだものが単セルと呼ばれる基本単位となっており、この単セルを積層して直列接続することにより高電圧を発生させることができる。よって本発明の貴金属担持極細炭素繊維を電極触媒として用いたＭＥＡを含むＰＥＦＣは極めて優れた性能を有する。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何等限定を受けるものでは無い。

(i) 極細炭素繊維綿状体の形態確認、および該綿状体を構成する極細炭素繊維の繊維径の測定
電界放出形走査電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、型式Ｓ−４８００）を用いて観察および写真撮影を行った。極細炭素繊維の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真（１０，０００倍または３０，０００倍）から無作為に２５０箇所を選択して繊維径を測定し、それらのすべての測定結果（ｎ＝２５０）の平均値を平均繊維径とした。
(ii) 黒鉛結晶性の評価方法
Ｘ線回折測定はリガク社製ＲＩＮＴ−２１００を用いてＪＩＳＲ７６５１法に準拠し、格子面間隔(ｄ００２)および結晶子大きさ(Ｌｃ００２)を測定した。
(iii) 体積抵抗率の測定方法
体積抵抗率の測定はダイヤインスツルメンツ社製の粉体抵抗システム(ＭＣＰ−ＰＤ５１)を用いて０．２５〜２．５０ｋＮの荷重下で四探針方式の電極ユニットを用いて測定した。体積抵抗率は充填密度の変化に伴う体積抵抗率の関係図から充填密度が０．８ｇ/ｃｍ^３時の体積抵抗率の値をもって試料の体積抵抗率とした。
(iv) 白金担持量の測定方法
白金担持極細炭素繊維綿状体、白金担持気相成長炭素繊維の白金担持量は、これらの試料を、空気中で灰化させ、その前後の重量を測定して算出した。
(v) 白金粒子サイズ（ＬＢＡ法）
Ｘ線回折装置（日本電子社製、ＪＤＸ−８０３０）により、２θ＝６８°付近の２２０回折線の半価幅とピーク角度を用いてＳｃｈｅｒｒｅｒの式より算出した。
測定法：ＦＴ法（ステップ巾：０．０２°、計数時間：２．５秒）
測定範囲：６０〜７４°、電圧：４０ｋＶ、管電流：３０ｍＡ、特性X線：ＣｕＫ_α
(vi)白金担持極細炭素繊維の形態確認
透過型電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ、型式Ｈ−７１００ＦＡ）を用いて、加速電圧１００ｋＶにより、観察および写真撮影を行った。

［実施例１］
熱可塑性樹脂としてポリ−４−メチルペンテン−１（ＴＰＸ：グレードＲＴ−１８［三井化学株式会社製、結晶融点：２３７℃］１００質量部と、熱可塑性炭素前駆体としてメソフェーズピッチＡＲ−ＭＰＨ（三菱ガス化学株式会社製）１１．１質量部を二軸混練機（同方向）（東芝機械株式会社製ＴＥＭ−２６ＳＳ、バレル温度３１０℃、窒素気流下）で溶融混練して混合物を作製した。次いで、上記混合物をメルトブロー溶融紡糸機により、吐出ダイ温度が３９５℃、ガス温度が３９５℃、気体噴出速度が１０００ｍ／ｓの条件により、平均繊維径２０μｍの短繊維形状の前駆体繊維を作製した。次に、シクロヘキサン４００ｍＬ（３１２ｇ）中に上記前駆体繊維４ｇを投入し、この液を油浴中に浸して搖動させながら加熱することで、該前駆体繊維中のポリ−４−メチルペンテン−１を溶出させた。直ちにこの溶液を熱濾過し、濾液が出にくくなったらフレッシュなシクロヘキサンを追加する操作を繰り返すことにより（３００ｍｌ、８０℃、４回）、ポリ−４−メチルペンテン−１が除去された、メソフェーズピッチ繊維分散液（固形物濃度：０．２９質量％）を調製し室温まで冷却した。次に、該分散液を氷水中に滴下することにより、メソフェーズピッチ繊維分散液の凍結体を作製した。この凍結体を回収し、−２０℃の冷凍室に入れ試料を凍結させた後、６０Ｐａの減圧下にて凍結乾燥を開始した。６０Ｐａの減圧を保持させた状態で、凍結乾燥容器の設定温度を３０℃に上昇させ、同温度で２０時間保持させることで、該凍結体中のシクロヘキサンを完全に昇華させ、メソフェーズピッチ繊維からなる低密度構造体を得た。次に、この低密度構造体を空気中で２１５℃、３時間不融化処理を行った後、窒素（酸素含有量１０体積ｐｐｍ未満）雰囲気下で１０００℃処理後、アルゴン（酸素含有量１０体積ｐｐｍ未満）雰囲気下で３０００℃処理を行うことにより、黒鉛化された極細炭素繊維綿状体を作製した。

この極細炭素繊維綿状体を走査電子顕微鏡により観察し、平均繊維径が１０４ｎｍの極細炭素繊維が綿花状に３次元に絡まった構造であることを確認した。該極細炭素繊維綿状体の走査電子顕微鏡の観察像を図１および図２に示す。また、該極細炭素繊維綿状体の格子面間隔(ｄ００２)は０．３３７５ｎｍ、結晶子大きさ（Ｌｃ００２）は４６ｎｍ、体積抵抗率は０．０１４Ω・ｃｍであった。
上記の方法により作製した極細炭素繊維綿状体（２ｇ）に、３０％硝酸水溶液５００ｍｌを加え、１００℃で３時間、硝酸による表面処理を行った。この溶液をろ過し、５００ｍｌの蒸留水で５回洗浄を行った上で、ろ過により固形物を回収した。更に、この回収した固形物を１００℃で１５時間真空乾燥した。次いで、上記のように表面処理を行った極細炭素繊維綿状体（１ｇ）を、蒸留水２００ｍｌに加え、室温で１時間攪拌を行った。その後、室温で、貴金属化合物溶液としてジニトロアミン白金硝酸水溶液を１００ｍｌ加えた後に、１時間後に還元剤としてエタノールを２０ｍｌ加え、混合液を９５℃に昇温させ、９５℃で３時間攪拌を行った。その後、ろ過、蒸留水１００ｍｌによる洗浄を３回繰り返し、固形物を６０℃で１２時間乾燥させることにより、白金担持極細炭素繊維綿状体を作製した。作製した白金担持極細炭素繊維綿状体の白金含有率は、４４．２ｗｔ％であった。透過型電子顕微鏡写真を図３、４に示す。

次いで、燃料電池の発電特性評価を実施した。上記の方法により作製した白金担持極細炭素繊維と、プロトン伝導高分子溶液（デュポン社製、ナフィオン溶液、ＤＥ２０２０、２０％溶液）を混合し、電極ペーストを調整した。調製した電極ペーストを、ガス拡散層となるカーボンぺーパー（東レ株式会社製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に、白金担持極細炭素繊維の塗布量が１ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布、乾燥させることにより、カソード電極を作製した。
また、上記と同様に、白金担持カーボンブラック（ケミックス社製、白金量４５ｗｔ％）と、プロトン伝導高分子溶液（デュポン社製、ナフィオン溶液、ＤＥ２０２０、２０％溶液）を混合し、電極ペーストを調整した。調製した電極ペーストを、ガス拡散層となるカーボンぺーパー（東レ株式会社製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に、白金担持極細炭素繊維の塗布量が１ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布、乾燥させることにより、アノード電極を作製した。
上記の方法により作製したカソード電極、プロトン伝導膜（デュポン社製、ナフィオン、ＮＲ−２１２）、アノード電極を張り合わせ、ホットプレスを行うことにより、厚みが０．７ｍｍの膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。
作製したＭＥＡを用いて、アノード側に、湿度調整した水素ガスを５０ｃｍ^３／分の流量で供給し、カソード側に空気を１００ｃｍ^３／分の流量で供給し、評価セルの温度８０℃、相対湿度５０％の雰囲気で、燃料電池の発電特性評価を実施した。セル電圧０．６Ｖにおける電流密度を測定したところ、０．５４Ａ／ｃｍ^２であった。

［比較例１］
白金担持用の炭素材料として、気相成長炭素繊維（昭和電工株式会社製、ＶＧＣＦ）を用いて、燃料電池の発電特性評価を実施した。使用した気相成長炭素繊維は、平均繊維径が１５２ｎｍ、格子面間隔(ｄ００２)が０．３３８６ｎｍ、結晶子大きさ（Ｌｃ００２）が３３ｎｍ、体積抵抗率が０．０１６Ω・ｃｍであった。走査電子顕微鏡の観察像を図−５、６に示す。
上記気相成長炭素繊維を用いて、実施例１と同様の操作により、この気相成長炭素繊維に対して硝酸による表面処理を実施し、白金担持を行った。作製した白金担持気相成長炭素繊維の白金含有率は、４８．３ｗｔ％であった。作製した試料は、白金担持状態にムラがあり、実施例１に比べて白金粒子の凝集が顕著に見られた。透過型電子顕微鏡写真を図７、８に示す。
次いで、カソード電極の電極触媒として、極細炭素繊維綿状体ではなく、上記の白金担持気相成長炭素繊維を用いた以外は実施例１と同様の操作を行い、燃料電池の発電特性評価も実施した。セル電圧０．６Ｖにおける電流密度を測定したところ、０．４０Ａ／ｃｍ^２と実施例１より低く、十分な特性が得られなかった。

[比較例２]
固体高分子形燃料電池の白金担持用の炭素材料として良く知られているカ-ボンブラック（ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊ）を用いて、燃料電池の発電特性評価を実施した。使用したカ-ボンブラックは、ＢＥＴ比表面積が８００ｍ^２／ｇ、ｐＨ９．０であった。実施例1と同様の操作により、白金担持を行った。作製した白金担持カーボンブラックの白金含有率は４５．０ｗｔ％であった。透過型電子顕微鏡写真を図９、１０に示す。部分的な担持ムラはあるが、担持していないカ-ボン粒子は見られなかった。
次いで、カソード電極の電極触媒として、極細炭素繊維綿状体ではなく、上記の白金担持カーボンブラックを用いた以外は実施例１と同様の操作を行い、燃料電池の発電特性評価も実施した。セル電圧０．６Ｖにおける電流密度を測定したところ、０．４５Ａ／ｃｍ^２と実施例１より劣る結果を得た。

本発明の製造方法によって得られる貴金属担持極細炭素繊維綿状体触媒は、燃料電池触媒層を構成する電極触媒として好適である。

Claims

以下（１）〜（６）の工程よりなる貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
（１）熱可塑性樹脂１００質量部と、レーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、リグニンおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも１種の熱可塑性炭素前駆体１〜１５０質量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程。
（２）溶剤により前駆体繊維中の熱可塑性樹脂を溶解除去して熱可塑性炭素前駆体繊維とし、その分散液を作製する工程。
（３）前記熱可塑性炭素前駆体繊維分散液を冷媒中に滴下させ、熱可塑性炭素前駆体繊維が分散した凍結体を作製する工程。
（４）前記凍結体を凍結乾燥させることにより、熱可塑性炭素前駆体繊維から成る低密度構造体を形成させる工程。
（５）前記低密度構造体を不融化処理した後、炭素化または黒鉛化し、極細炭素繊維綿状体を得る工程。
（６）前記極細炭素繊維綿状体を、貴金属化合物溶液に浸漬させ、還元剤を添加することにより、極細炭素繊維綿状体の表面に貴金属を担持させる工程。
下記式（Ｉ）で表される熱可塑性樹脂を用いることを特徴とする請求項１記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
前記式（Ｉ）で表される熱可塑性樹脂が、ポリ−４−メチルペンテンまたはその共重合体である、請求項２記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
ピッチがメソフェーズピッチである請求項１記載の白金担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
前記熱可塑性樹脂を溶解する溶剤が、シクロヘキサンである、請求項１記載の貴金属担持極細炭素繊維綿状体の製造方法。
記請求項１〜５のいずれかの製造方法により製造された貴金属担持極細炭素繊維綿状体。
請求項６の貴金属担持極細炭素繊維綿状体を電極触媒として用いた燃料電池用電極。
請求項７の燃料電池用電極を用いた膜電極接合体。
請求項８の膜電極接合体を含む固体高分子型燃料電池。