燃料電池およびガス拡散層（GDL）用炭素繊維紙

炭素繊維紙は、炭素繊維を細断して原料とし、天然パルプまたは合成パルプを基材とし、バインダーや填料を抄紙工程で添加した紙状の複合材料です。カーボンペーパーは、燃料電池のガス拡散層の主な基材です。炭素繊維をカーボンペーパーに変えるプロセスは、ガス拡散層製造における中心的な課題の 1 つであり、制御可能な多孔度、優れた熱伝導性と電気伝導性、十分な機械的強度、強い疎水性、高い耐食性など、複数の性能要件を満たす材料が必要です。

1. 製造工程

カーボンペーパーの製造工程は湿式法と乾式法に分かれます。湿式プロセスは成熟した技術であり、次のようなメーカーが使用しています。東レそしてSGLカーボン。湿式法で作製されたカーボンペーパーは均一性が良く、組織が緻密であるため、海外では燃料電池用の高性能カーボンペーパーとしてよく使われている方法です。

カーボンペーパーを製造するための乾式プロセスは、近年急速に発展している技術です。空気を媒体とし、気流抄紙法により原紙を製造し、その後糊付け、乾燥、炭化等の工程を経て製造する方法です。カーボンペーパーの主な特徴は、炭素繊維の含有量が高く、製品強度が高いことです。

1. 炭素繊維紙の乾式成形プロセス

乾式成形は、近年急速に発展している製紙技術です。まず、短くカットされた炭素繊維を開繊し、均一な単繊維に分散させます。次に、空気を媒体として急速にウェブを形成し、原紙を作成します。その後、接着剤による接着、ホットプレス、硬化、炭化、黒鉛化を経て炭素繊維紙が製造されます。

乾式成形プロセスで使用されるショートカットカーボンファイバーの長さは通常 40 ～ 50 mm です。得られる炭素繊維紙は、炭素繊維含有量が高く、製品強度が高く、導電性が高い。

しかし、繊維長が長いため、繊維が分散しにくく、絡みやすく、結び目が発生しやすい。炭素繊維間の重なりも「架橋」効果を高め、大きな細孔構造を形成し、その結果、炭素繊維紙の均一性が比較的低く、構造がゆるいことになります。

2. 炭素繊維紙の湿式成形プロセス

現在、国内外で最も研究され、広く適用されている PEMFC 用の高性能炭素繊維紙の製造プロセスは、湿式成形プロセスです。水を媒体として、様々な長さの短繊維（3～20mm）を水中に均一に分散させる加工です。

次に、カーボンファイバー原紙は、抄紙機を使用してフィルタースクリーン上で急速に真空濾過されます。後続のプロセスには、樹脂含浸、ホットプレス硬化、炭化/黒鉛化が含まれ、最終製品が製造されます。

乾式成形と比較して、湿式成形では密度と均一性に優れた炭素繊維紙が得られるため、PEMFC 特有の炭素繊維紙への加工に非常に適しています。

さらに、国内外で製造される炭素繊維紙の性能指標は、一般に、日本の東レ株式会社が製造するＰＥＭＦＣ専用炭素繊維紙「ＴＧＰＨ」シリーズを参照している。

2. 技術的な課題

カーボンペーパーの連続生産は、多くの工学的課題に直面しています。連続生産を確保し、製品品質の均一性と安定性を向上させることは、大量生産における重要な懸念事項です。

現在、中国ではカーボンペーパーの大規模な大量生産が困難である。その主な理由は、炭素繊維の黒鉛化と後処理に関わるプロセスと設備が複雑であるためである。

1. ロールツーロール連続生産における工程調整

一部のカーボンペーパーメーカーはシート状のカーボンペーパー製品しか製造できず、製造プロセスが断続的であるため、製品の品質の均一性を保証することが困難です。

ロールツーロール生産はカーボンペーパーの連続生産の重要な方法であり、分散形成、樹脂含浸とホットプレス、炭化と黒鉛化に分けられます。

分散液形成段階では、カーボン繊維の均一な分散とウェブの形成がカーボンペーパーの連続生産に影響を与える重要な要素です。

湿ったカーボン紙ブランクには粘着力がないため、不均一な応力がかかると破れやすくなります。したがって、連続的なカーボンペーパー形成を確実に行うには、繊維の分散、ウェブ形成、カーボンペーパーのブランク速度、カーボンペーパーの巻き取りなどのさまざまな段階を調整し、同期させる必要があります。

樹脂含浸と熱プレスの段階では、樹脂含浸量の制御、カーボンペーパーの乾燥、連続熱プレス、カーボンペーパーの巻き取りなどの連携作業が重要です。

高温の炭化または黒鉛化の段階では、高温炉内のさまざまな温度範囲内でのカーボンペーパーの移動速度と滞留時間を調整することが、連続運転の鍵となります。

2. 製品の品質均一性管理

バッチ品質の均一性が低いことは、現在国内でカーボン紙の代替品が不足していることを制限している主な要因の 1 つです。

厚さが不均一であると、カーボンファイバースタックの組み立て中に嵩密度の偏差が生じ、電極の水の分布と浸透性に影響を与えます。

抵抗率が一貫していない場合、拡散層の導電ネットワーク構造が劣化し、電流密度の均一性に影響を与えます。

機械的特性が一貫していないため、引張強度と曲げ強度にばらつきが生じ、積層中に電極が破損する可能性があります。

カーボンペーパーの大量生産における品質の均一性の低下の問題は、本質的に、炭素繊維と樹脂の複合構造の炭化後の不均一で不安定な炭素ネットワーク構造が原因です。

3. 主要なコア機器のエンジニアリング上のブレークスルー

成形装置はカーボンペーパーメーカーのコア技術です。特定の用途向けに単層の高坪量カーボン紙を形成するための要件を満たすには、さらなる研究が必要です。

カーボンペーパーの連続生産には樹脂含浸装置も重要です。重要な課題は、樹脂を定量的に含浸させて均一かつ均等な樹脂充填を確保することにあります。

大量生産では、連続的なホットプレスと硬化がより困難になります。そこでプログラムステップ式フラットベッドホットプレスやダブルベルトホットプレスが注目を集めています。

海外のダブルベルトホットプレスは制御精度が高いのに対し、国内の装置はまだ遅れをとっています。

最後に、連続炭化および黒鉛化装置には最大の課題があります。加熱プロセスを正確に制御することで、カーボンペーパーは理想的な性能指標を達成できます。

連続的な炭化と黒鉛化では、エアカーテン保護システムが重要です。炉の両端にガスシールやエアカーテン装置を設置することにより、外気を遮断し、酸素浸食を軽減し、均一な炭化、黒鉛化が可能な低酸素環境を維持します。