JP2014029035A - 炭素繊維フェルト、その製造方法、及び電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも片面に帯状に外方に突出する複数の畝部分4と、前記複数の畝部分4の間に形成される溝部分6とからなる凹凸形状を有する炭素繊維フェルト2であって、畝部分4のフェルトの嵩密度が、溝部分の底壁8を構成するフェルトの嵩密度よりも高いことを特徴とする炭素繊維フェルト。溝6は、フェルト表面において、直線状、格子状、ダイヤ状、又は、波状に形成されていることが好ましい。
【選択図】 図1
Description
本発明の炭素繊維フェルトの製造方法は特に限定されるものではなく、何れの方法で製造しても良いが、以下の方法が好ましい。
この方法においては、先ず炭素繊維前駆体フェルトの片面又は両面に溝形成用の切込みが形成された炭素繊維前駆体フェルトを用意する。次いで、切込み幅が拡がる方向に張力を付与しながら不活性雰囲気下で炭素化する。これにより本発明の炭素繊維フェルトが得られる。
図10は、本発明の炭素繊維フェルトの他の製造方法を示す説明図である。
溝形成面において、形成された溝の最深部を深さとした。
フェルト表面での溝の広さを幅とした。
並行する隣り合った溝について、溝幅方向に沿って溝中心部間の距離を測定し、これを溝ピッチとした。
溝の長手方向に直交する裁断面で、10cm長さにフェルトのサンプルを切り出し、n=5の溝断面を、その断面形状に応じて三角形、台形、長方形近似し、n=5で個々の溝の断面積を算出した。それら断面積の平均値を求め、これを溝断面積とした。
畝の部分、溝の部分を、それぞれフェルト厚み方向に沿ってサンプルを切り出して測定したn=20の厚みと目付から算出し、それぞれ嵩密度(畝部)、嵩密度(溝部)とした。
溝の長手方向に直交する裁断面で、10cm長さにフェルトのサンプルを切り出し、n=5の溝断面を、その断面形状に応じて三角形、台形、長方形近似し、n=5で算出した個々の溝の断面積について総和を求め、この総和を、上記溝の長手方向に直交する裁断面の面積[10cm長さ×厚み(T)]で除したものを溝断面積比とした。
サンプルとして20cm角(0.2m角)のフェルトを3枚切り出し、これを105℃、1時間乾燥した後の重量を、サンプル面積(0.2m×0.2m=0.04m2)で除したものの3枚の平均値を目付とした。
縦20cm×横20cmの耐炎繊維フェルトを切り出し、窒素雰囲気下で400℃で30分間熱処理した時の、縦横の寸法変化量を元長さで除したものの平均値を熱収縮率(400℃)とした。
シックネスゲージ(6.9kPa)を用い、溝が形成されていない部分で、且つ幅方向に5点測定した基材厚みの平均値をフェルト厚み(T)とした。
50mm角のサンプルを切り出し、そのサンプルを2枚の50mm角(厚み10mm)の金メッキした電極で、全面接触するように挟み、サンプルの厚み方向に10kPaの荷重をかけたときの、厚み方向の電気抵抗値を測定し、電極面積で除して単位面積あたりの電気抵抗値を求めた。
通液方向に30cm、幅方向(流路幅)に50cm、電極基材の厚みの60%であるスペーサーで形成されたセルスタックを用意した。作製された電極基材を通液方向20cm、幅方向50cmに切って設置し、50リットル/時のイオン交換水を流通させ、セルスタックの出入口の通液圧力損失を測定した。ブランクとして電極基材を設置しない系で同様に測定し、測定値とブランク測定値との差を電極基材の通液圧力損失とした。
高収縮層として、ポリビニルアルコール(PVA)ステープル20質量%を、炭素繊維前駆体ステープルとしてPAN系耐炎繊維ステープル(繊維長51mm、クリンプ率10%、クリンプ数4ヶ/cm)に混合し、目付90g/m2のPVA混綿PAN系耐炎繊維ウェッブを作製した。これを4枚積層させ、スリット層用のウェッブ積層体を得た。
PVAを、表1に記載の混綿物質に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
混綿物質を使用せずに耐炎繊維フェルト単味で、表裏の収縮差を有さない炭素繊維前駆体フェルトを作製し、焼成時の張力を20N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
焼成時の張力を0N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層において、目付90g/m2のPVA混綿PAN系耐炎繊維ウェッブ6枚積層させた上に、目付50g/m2のPAN系耐炎繊維ウェッブ3枚積層させた以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層において、収縮の大きい低比重OPFのみを用いること以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
表裏の収縮差を有さない炭素繊維前駆体単体フェルトとし、溝幅1mm、溝深さ3mm、溝ピッチ6mmとなるように作製したプレス板にて、200℃、50kg/cm2でヒートプレスを行い、溝付き炭素繊維前駆体フェルトを得た。それ以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
表裏の収縮差を有さない炭素繊維前駆体単体フェルトとし、炭素化時に張力を付与しない以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層のPVAの混率を5%とした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
炭素化時の張力を2N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層のPVAの混率を50%とした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
炭素化時の張力を50N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
表3、4のスリットの深さ、ピッチとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
表4のスリット形状、ピッチとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
表5のスリット形状、ピッチとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層において、目付80g/m2のPVA混綿PAN系耐炎繊維ウェッブに、目付60g/m2のPAN系耐炎繊維ウェッブを積層させた以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層において、目付85g/m2のPVA混綿PAN系耐炎繊維ウェッブ10枚に、目付70g/m2のPAN系耐炎繊維ウェッブを10枚積層させた以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
高収縮層において、PVAの混率2%とし、炭素化時の張力を2N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、十分な溝幅を形成できず、通液圧力損失は高い結果となった。
高収縮層の耐炎繊維の比重を1.33とし、炭素化時の張力を110N/mとした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。溝幅が大きく、接触抵抗が低く、電気抵抗値が高い結果となった。また、炭素化後の変形が大きく、通液圧力損失の評価は不可能であった。
スリットの深さを5.2mm(厚みに対し95%)とした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、炭素化時に破断し、評価できなかった。
スリットの深さを0.5mm(厚みに対し9%)とした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、溝が十分に確保できず、目標の通液圧力損失を得られなかった。
ピッチ間隔を大きくした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、フェルト断面に対する溝断面(溝断面積比)が小さく、目標の通液圧力損失が得られなかった。
高収縮層において、目付90g/m2のPVA混綿PAN系耐炎繊維ウェッブに、目付45g/m2のPAN系耐炎繊維ウェッブを積層させた以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、厚みが小さく、目標の通液圧力損失が得られなかった。
炭素化温度を1200℃とした以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。その結果、電気抵抗が高い結果となった。
4 畝部
6 溝部
8 溝部の底壁
10 電池セル部材
t 炭素繊維フェルトの厚み
T 溝の深さ
22 炭素繊維前駆体フェルト
24 切込み
26 フェルトにおける切込みを形成していない部分(プレーン層)
28 フェルトにおける切込みを形成している部分(スリット層)
S、R 張力の方向を示す矢印
32 低収縮層
34 高収縮層
X、Y 電解液の流れ方向を示す矢印
42 レドックスフロー型電池
44 セル部
46、48 電解液タンク部
50、52 集電板
54 隔膜
56、58 送液ポンプ
60、62 電極
Claims (7)
- 少なくとも片面に帯状に外方に突出する複数の畝部分と、前記複数の畝部分の間に形成される溝部分とからなる凹凸形状を有する炭素繊維フェルトであって、畝部分のフェルトの嵩密度が、溝部分の底壁を構成するフェルトの嵩密度よりも高いことを特徴とする炭素繊維フェルト。
- 溝が、フェルト表面において、直線状、格子状、ダイヤ状、又は、波状に形成されている請求項1に記載の炭素繊維フェルト。
- 溝幅が0.5〜10mm、溝深さが炭素繊維フェルトの厚みに対して10〜90%、溝ピッチが0.5〜100mmで形成されている請求項1又は2に記載の炭素繊維フェルト。
- 厚みが0.5〜10mm、目付が100〜1000g/m2、厚み方向の電気抵抗値が500mΩ/cm2以下である請求項1乃至3の何れかに記載の炭素繊維フェルト。
- 請求項1乃至4の何れかに記載の炭素繊維フェルトからなる電極。
- 炭素繊維前駆体フェルトを不活性雰囲気下で炭素化する炭素繊維フェルトの製造方法であって、片面又は両面に切込みを入れた前駆体フェルトを、切込み方向と直交する方向に張力を付与しながら炭素化することを特徴とする炭素繊維フェルトの製造方法。
- 炭素繊維前駆体フェルトを不活性雰囲気下で炭素化する炭素繊維フェルトの製造方法であって、前駆体フェルトが表裏面で熱収縮率が異なる構造のフェルトであり、且つその高収縮側のフェルトに切込みを入れたフェルトを炭素化することを特徴とする炭素繊維フェルトの製造方法。
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