JP2006236992A - Porous carbon base material and its manufacturing method - Google Patents

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賢也 岡田
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幹夫 井上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous carbon base material high in power generation performance when it is formed into a gas diffusion body of a fuel cell and hardly damaging a membrane; and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: This porous carbon base material is a sheet containing a carbon short fiber and a resin carbide dispersed in random directions; and a part of the carbon short fiber is bonded by the resin carbide; and the standard deviation of the thickness of the sheet is 1.0-5.0 μm. This manufacturing method comprises: a compression process for intermittently transporting a precursor fiber sheet containing a carbon fiber and a resin between heat plates positioned in parallel with each other to subject it to a heating and pressing process by the heat plates during the stop of the transportation; and a carbonization process for carbonizing the resin in the compressed precursor fiber sheet. In the compression process, two or more spacers are arranged beside the precursor sheet to be transported on the lower hot plate, and the precursor fiber sheet is transported between the spacers. The gas diffusion body is formed of the porous carbon base material and is used for a membrane-electrode assembly to constitute a fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散体の材料として好ましく用いられる多孔質炭素基材とその製造方法に関する。   The present invention relates to a porous carbon substrate preferably used as a material for a gas diffuser of a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

従来、固体高分子型燃料電池用ガス拡散体を構成する基材として、炭素繊維を樹脂炭化物で結着して得られる多孔質炭素基材が用いられてきた。(例えば、特許文献1)
ここで開示されている多孔質炭素基材は炭素繊維を抄紙したシートに熱硬化性樹脂を含浸し、枚葉でバッチ式に加熱加圧して熱硬化性樹脂を硬化させ、バッチ式で焼成を行うことにより得られるため、生産性が低く、コストが高いといった問題があった。
Conventionally, a porous carbon base material obtained by binding carbon fibers with resin carbide has been used as a base material constituting a gas diffuser for a polymer electrolyte fuel cell. (For example, Patent Document 1)
The porous carbon base material disclosed here impregnates a sheet made of carbon fiber with a thermosetting resin, and heats and presses the sheet in batch mode to cure the thermosetting resin, and then fires in batch mode. Since it is obtained by performing, there existed a problem that productivity was low and cost was high.

また、多孔質炭素基材を撥水処理するなどの後処理をする場合においても枚葉では処理速度に時間がかかるため、連続的に処理可能な連続のロール状多孔質炭素基材が必要とされていた。   Also, even when post-treatment such as water repellent treatment of the porous carbon substrate, it takes time to process the single wafer, so a continuous roll-like porous carbon substrate that can be processed continuously is required. It had been.

上記の問題に対して、特許文献2では、抄紙した炭素繊維シートに樹脂を含浸して、硬化し、炭化させるまでの工程を連続的に行い、ロール状の多孔質炭素基材を得ている。   In order to solve the above problem, in Patent Document 2, a paper-made carbon fiber sheet is impregnated with a resin, cured, and continuously subjected to steps up to carbonization to obtain a roll-shaped porous carbon substrate. .

また、特許文献3では、ダブルベルトプレスにより熱硬化性樹脂を連続的に加熱加圧して硬化させ、連続で炭化させることによりロール状の多孔質炭素基材を得ている。   Moreover, in patent document 3, the thermosetting resin is continuously heated and pressurized by a double belt press to cure and carbonize continuously to obtain a roll-shaped porous carbon substrate.

上記の方法で樹脂の硬化を行うと、厚みの均質な多孔質炭素基材を得ることができないといった問題がある。すなわち、成型時もしくは熱硬化性樹脂の硬化時に十分な加圧成形がなされないと成形後もしくは硬化後の厚みは、炭素繊維や樹脂量のバラツキにより厚みのバラツキが発生し、炭化工程後もそのバラツキは残る。また、ダブルベルトプレスを用いる場合では、プレス時間を短くするために型温を高くする必要があり、そのため急速な熱硬化性樹脂の硬化が起こり、厚みのバラツキが大きくなる。バッチ式で加熱加圧する場合においても、複数枚積層することである程度厚みのバラツキを低減させることが出来るが、加熱加圧する型板の傾きによる厚みのバラツキが発生し、十分低い厚みのバラツキのものを得ることができないといった問題があった。   When the resin is cured by the above method, there is a problem that a porous carbon substrate having a uniform thickness cannot be obtained. That is, if sufficient pressure molding is not performed at the time of molding or curing of the thermosetting resin, the thickness after molding or after curing will vary in thickness due to variations in the amount of carbon fiber and resin, and even after the carbonization step The variation remains. In addition, in the case of using a double belt press, it is necessary to increase the mold temperature in order to shorten the press time, so that the rapid thermosetting resin is cured, resulting in a large thickness variation. Even when batch-type heating and pressing are performed, the thickness variation can be reduced to some extent by stacking multiple sheets, but the thickness variation due to the inclination of the template to be heated and pressed occurs, and the variation is sufficiently low. There was a problem that could not be obtained.

また、上記の方法で樹脂の硬化を行った多孔質炭素基材を固体高分子型燃料電池のガス拡散体の材料として用いると、所望の発電性能が得られなかった。
特開平7−220735号公報(第1頁) 特開2004−31326号公報(第3頁) 国際公開第2002/006032号パンフレット(第9頁)
In addition, when the porous carbon base material obtained by curing the resin by the above method is used as the material for the gas diffuser of the polymer electrolyte fuel cell, desired power generation performance cannot be obtained.
JP-A-7-220735 (first page) JP 2004-31326 A (page 3) International Publication No. 2002/006032 Pamphlet (9th page)

本発明は、従来の技術における上述した問題点に鑑み、燃料電池のガス拡散体としたときの電池としての発電性能が高い多孔質炭素基材とその製造方法を提供せんとするものである。   In view of the above-described problems in the prior art, the present invention provides a porous carbon base material having high power generation performance as a battery when used as a gas diffuser of a fuel cell and a method for producing the same.

本発明者らは、従来法により得られる多孔質炭素基材では、所望の発電性能が得られない原因を検討したところ、(a)厚みのバラツキが大きいことに起因して設計したガスケットの厚みよりもガス拡散体が厚い部分や薄い部分が発生し、厚い部分ではガスケットにより十分にシールされることなく、燃料ガスが漏れ等の問題が起こる、(b)薄い部分では燃料電池としたときの十分な締め付け圧を受けず、ガス拡散体の固体高分子膜やセパレーターとの密着性が悪くなり電気抵抗が増大する、(c)ガス拡散体の厚い部分では固体高分子膜にダメージを与える、といったことによるものであろうとの考えの下に、厚みのバラツキを低減した多孔質炭素基材および製法を開発し適用したところ、従来のものに比較して発電性能が良好な固体電解質型燃料電池が得られることを見だしたものである。すなわち、
(1)無作為な方向に分散している炭素短繊維と樹脂炭化物とを含むシートであって、炭素短繊維の少なくとも一部は、該樹脂炭化物で結着されており、かつ、本文で定義する該シートの厚みの標準偏差が1.0〜5.0μmであることを特徴とする多孔質炭素基材。
The inventors of the present invention have studied the reasons why the desired power generation performance cannot be obtained with the porous carbon substrate obtained by the conventional method. (A) The thickness of the gasket designed due to the large variation in thickness. The gas diffuser is thicker or thinner than the gas diffuser, and the thick part is not sufficiently sealed by the gasket, causing problems such as leakage of fuel gas. (B) When the fuel cell is used in the thin part It does not receive sufficient tightening pressure, the adhesion with the solid polymer membrane of the gas diffuser and the separator deteriorates and the electrical resistance increases, (c) damages the solid polymer membrane in the thick part of the gas diffuser, As a result of the development and application of a porous carbon base material and manufacturing method with reduced thickness variation, the solid-state battery has better power generation performance than the conventional one. It is those that began to see that the quality type fuel cell is obtained. That is,
(1) A sheet containing carbon short fibers and resin carbide dispersed in a random direction, wherein at least a part of the carbon short fibers are bound with the resin carbide, and are defined in the text. A porous carbon substrate characterized in that the standard deviation of the thickness of the sheet is 1.0 to 5.0 μm.

(2)該多孔質炭素基材が、厚みが0.10〜0.25mmの範囲で、密度が0.3〜0.7g/cmの範囲にあるものである前記(1)に記載の多孔質炭素基材。 (2) The porous carbon substrate according to (1), wherein the thickness is in the range of 0.10 to 0.25 mm and the density is in the range of 0.3 to 0.7 g / cm 3 . Porous carbon substrate.

(3)該多孔質炭素基材が、長さが50〜500mで、幅が100〜1000mmの範囲にあり、ロール状に巻き取られたものである前記(2)に記載の多孔質炭素基材。   (3) The porous carbon substrate according to (2), wherein the porous carbon substrate has a length of 50 to 500 m, a width of 100 to 1000 mm, and is wound into a roll. Wood.

(4)該多孔質炭素基材が、長さ方向に10mおきに20点ずつサンプリングしたときの厚みの平均値の最大値と最小値の差が15μm以下であるものである前記(3)に記載の多孔質炭素基材。   (4) In the above (3), the difference between the maximum value and the minimum value of the average value of the thickness when the porous carbon base material is sampled at 20 points every 10 m in the length direction is 15 μm or less. The porous carbon substrate as described.

(5)該多孔質炭素基材を構成する炭素短繊維が、平均繊維径が5〜20μmの範囲にあるものである前記(1)〜(4)のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   (5) The porous carbon substrate according to any one of (1) to (4), wherein the short carbon fibers constituting the porous carbon substrate have an average fiber diameter in the range of 5 to 20 μm. .

(6)該多孔質炭素基材が、炭素質粉末を含んで構成されているものである前記(1)〜(5)のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   (6) The porous carbon substrate according to any one of (1) to (5), wherein the porous carbon substrate includes a carbonaceous powder.

(7)該多孔質炭素基材が、その厚みの標準偏差が1.0〜4.0μmの範囲にあるシートである前記(1)〜(6)のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   (7) The porous carbon base material according to any one of (1) to (6), wherein the porous carbon base material is a sheet having a standard deviation in thickness within a range of 1.0 to 4.0 μm. .

(8)前記(1)〜(7)のいずれかに記載の多孔質炭素基材に撥水性物質を付与せしめて構成されていることを特徴とするガス拡散体。   (8) A gas diffuser comprising a porous carbon substrate according to any one of (1) to (7) provided with a water-repellent substance.

(9)前記(1)〜(7)のいずれかに記載の多孔質炭素基材の少なくとも片面に導電性を有するガス拡散層が配置されているガス拡散体。   (9) A gas diffuser in which a conductive gas diffusion layer is disposed on at least one surface of the porous carbon substrate according to any one of (1) to (7).

(10)前記(1)〜(7)のいずれかに記載の多孔質炭素基材に撥水性物質を付与せしめ、かつ、その少なくとも片面に導電性を有するガス拡散層が配置されてなるガス拡散体。   (10) Gas diffusion in which a water-repellent material is imparted to the porous carbon substrate according to any one of (1) to (7), and a conductive gas diffusion layer is disposed on at least one surface thereof. body.

(11)固体高分子電解質膜とその両表面に設けた触媒担持炭素を含む触媒層と両触媒層の外側に接して設けたガス拡散体を含む膜−電極接合体において、該ガス拡散体の少なくとも一方を、前記(8)〜(10)のいずれかに記載のガス拡散体で構成したことを特徴とする膜−電極接合体。   (11) In a membrane-electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer containing catalyst-supporting carbon provided on both surfaces thereof, and a gas diffuser provided in contact with the outside of both catalyst layers, At least one is comprised with the gas diffusion body in any one of said (8)-(10), The membrane-electrode assembly characterized by the above-mentioned.

(12)前記(11)に記載の膜−電極接合体で構成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   (12) A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to (11).

(13)互いに平行に位置する熱板間に炭素短繊維と樹脂を含む前駆体繊維シートを間欠的に搬送し、搬送が停止している間に熱板で加熱加圧処理する圧縮工程と、圧縮処理された前駆体繊維シート中の樹脂を炭化処理する炭化工程とを含む多孔質炭素基材の製造方法であって、圧縮工程では、下側の熱板上に2枚以上のスペーサーを搬送する前駆体繊維シートの横に配置し、そのスペーサーの間に前駆体繊維シートを搬送することを特徴とする多孔質炭素基材の製造方法。   (13) A compression process in which a precursor fiber sheet containing carbon short fibers and a resin is intermittently conveyed between hot plates positioned parallel to each other, and heated and pressurized with the hot plate while the conveyance is stopped, And a carbonization process for carbonizing a resin in the precursor fiber sheet that has been subjected to compression treatment, and in the compression process, two or more spacers are conveyed on the lower hot plate A method for producing a porous carbon substrate, wherein the precursor fiber sheet is disposed beside a precursor fiber sheet to be conveyed, and the precursor fiber sheet is conveyed between the spacers.

(14)前駆体繊維シートを挟むように離型シートを配置し、前駆体シートと共に搬送して、加熱加圧する前記(13)に記載の多孔質炭素基材の製造方法。   (14) The method for producing a porous carbon substrate according to (13), wherein a release sheet is disposed so as to sandwich the precursor fiber sheet, and the precursor sheet is conveyed and heated and pressurized.

(15)離型シートの厚みをT、圧縮工程により圧縮された前駆体繊維シートの厚みをTとするとき、スペーサーの厚みTが、下記式を満たす前記(13)に記載の多孔質炭素基材の製造方法。 (15) the thickness of the release sheet T R, when the thickness of the precursor fiber sheet is compressed by the compression process and T P, the thickness T S of the spacer is porous as described in (13) satisfies the following equation Of producing a carbonaceous substrate.

<T+T
(16) 互いに平行な熱板の搬送方向の有効加圧長をL、間欠的に搬送する際の前駆体繊維シートの送り量をLとするとき、L/Lが0.1〜0.98である前記(13)〜(15)のいずれかに記載の多孔質炭素基材の製造方法。
T S <T R + T P
(16) When the effective pressurization length in the conveying direction of the hot plates parallel to each other is L P and the feed amount of the precursor fiber sheet when intermittently conveying is L F , L F / L P is 0.1. The manufacturing method of the porous carbon base material in any one of said (13)-(15) which is -0.98.

(17) 互いに平行な熱板の温度が140〜300℃、加圧力が0.1〜4.0MPaである前記(13)〜(16)のいずれかに記載の多孔質炭素基材の製造方法。   (17) The method for producing a porous carbon substrate according to any one of (13) to (16), wherein the temperature of the hot plates parallel to each other is 140 to 300 ° C. and the applied pressure is 0.1 to 4.0 MPa. .

本発明によれば、連続的に長さ方向に厚みの変化が無く、撥水処理などの後処理工程を連続的に行えるため生産効率がよい上に、燃料電池のガス拡散体としたときの電池としての発電性能が高く、膜に与えるダメージが少ない多孔質炭素基材を連続的に供給することができ、さらに、かかる多孔質炭素基材は、固体高分子型燃料電池のガス拡散体の材料として好適である。   According to the present invention, there is no change in thickness continuously in the length direction, and the post-treatment process such as water repellent treatment can be performed continuously, so that the production efficiency is good and the gas diffuser of the fuel cell is used. A porous carbon base material having high power generation performance as a battery and having little damage to the membrane can be continuously supplied. Further, the porous carbon base material is a gas diffusion body of a polymer electrolyte fuel cell. Suitable as a material.

本発明は、前記課題、つまり燃料電池のガス拡散体としたときの電池としての発電性能が高く、膜に与えるダメージが少ない多孔質炭素基材について、鋭意検討し、厚みの標準偏差を特定な範囲内にある多孔質炭素基材を作ってみたところ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。   The present invention, which is the subject, that is, a porous carbon base material having high power generation performance as a battery when used as a gas diffuser of a fuel cell and little damage to the membrane, has been intensively studied and specified a standard deviation of thickness. When a porous carbon substrate within the range was made, it was found that this problem could be solved all at once.

本発明の多孔質炭素基材は、前述のように炭素短繊維と樹脂炭化物を含み、炭素短繊維の少なくとも一部は樹脂炭化物により結着されており、その厚みの標準偏差が1.0〜5.0μmであるところに特徴を有するものである。   As described above, the porous carbon base material of the present invention includes carbon short fibers and resin carbide, and at least a part of the carbon short fibers are bound by resin carbide, and the standard deviation of the thickness is 1.0 to 1.0. It is characterized by being 5.0 μm.

かかる厚みの標準偏差が5.0μmより大きくなると、固体高分子型燃料電池用ガス拡散体として用いたときに、ガスシールのために用いるガスケットの設計した厚さよりも厚い部分や薄い部分が発生し、電池としての発電性能が低下したり、多孔質炭素基材の厚みバラツキにより、固体高分子膜に局所的に圧力がかかり、固体高分子膜の寿命が低下するため好ましくない。また、厚みの標準偏差を1.0μmより小さくしようとすると、製造工程で精度の高い加熱加圧システムが必要となり、また、成形時間も長くなるため生産性・コストの面で好ましくない。   When the standard deviation of the thickness is larger than 5.0 μm, when used as a gas diffuser for a polymer electrolyte fuel cell, a portion thicker or thinner than the designed thickness of the gasket used for gas sealing occurs. This is not preferable because the power generation performance as a battery is lowered or the solid polymer film is locally subjected to pressure due to the variation in the thickness of the porous carbon base material, thereby reducing the life of the solid polymer film. On the other hand, if the standard deviation of the thickness is made smaller than 1.0 μm, a highly accurate heating and pressurizing system is required in the manufacturing process, and the molding time becomes longer, which is not preferable in terms of productivity and cost.

かかる厚みの標準偏差の測定方法は、多孔質炭素基材を100mm×100mmで5枚切り出し、図1に示すように多孔質炭素基材1を縦横20mm間隔で測定点2を取り、1枚当たり25点、計125点の厚みを測定したものである。なお、厚み測定はマイクロメーターを用いて、基材の厚み方向に0.15MPaの面圧を付与して測定する。厚みの標準偏差は、下記式を用いて測定した厚みより算出する。また、多孔質炭素基材の厚みは125点の平均値を厚みとしたものである。
(厚みの標準偏差)=[{nΣx−(Σx)}/n(n−1)]1/2
x:各測定点の厚み
n:測定点数
本発明においては、該多孔質炭素基材の厚みの標準偏差を1.0〜5.0μmとすることで、固体高分子型燃料電池用ガス拡散体として用いたときに、固体高分子膜に厚みのバラツキによるダメージを与えることなく、膜の劣化による固体高分子型燃料電池の発電特性の低下を抑え、長時間高い性能を示すことができる。多孔質炭素基材の厚みの標準偏差は1.0〜4.0μmであることがより好ましい。
The standard deviation measurement method of this thickness is that five porous carbon substrates are cut out at 100 mm × 100 mm, and the measurement points 2 are taken at intervals of 20 mm vertically and horizontally as shown in FIG. The thickness was measured at 25 points, a total of 125 points. The thickness is measured by applying a surface pressure of 0.15 MPa in the thickness direction of the substrate using a micrometer. The standard deviation of thickness is calculated from the thickness measured using the following formula. The thickness of the porous carbon base material is an average value of 125 points.
(Standard deviation of thickness) = [{nΣx 2 − (Σx) 2 } / n (n−1)] 1/2
x: thickness of each measurement point
n: Number of measurement points In the present invention, the standard deviation of the thickness of the porous carbon base material is set to 1.0 to 5.0 μm, so that when used as a gas diffuser for a polymer electrolyte fuel cell, a solid Without damaging the polymer membrane due to variations in thickness, it is possible to suppress degradation of the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell due to membrane degradation and show high performance for a long time. The standard deviation of the thickness of the porous carbon substrate is more preferably 1.0 to 4.0 μm.

かかる多孔質炭素基材の厚みは、0.10〜0.25mmの範囲にあることが好ましい。厚みが0.1mmよりも薄いと強度が低下して取り扱いにくくなる傾向があり、また、厚みが0.25mmよりも厚くなると、厚み方向の電気抵抗が高くなり、固体高分子型燃料電池のガス拡散体として用いたときの性能が低くなる傾向や、基材の柔軟性が低下してロールへの巻き取りが困難になる傾向がある。多孔質炭素基材のより好ましい厚みは、0.11〜0.22mmであり、特に好ましい厚みは0.12〜0.16mmである。   The thickness of the porous carbon substrate is preferably in the range of 0.10 to 0.25 mm. If the thickness is less than 0.1 mm, the strength tends to decrease and it becomes difficult to handle. If the thickness is more than 0.25 mm, the electric resistance in the thickness direction increases, and the gas of the polymer electrolyte fuel cell increases. When used as a diffuser, the performance tends to be low, and the flexibility of the substrate tends to decrease, making it difficult to wind up the roll. The more preferable thickness of the porous carbon substrate is 0.11 to 0.22 mm, and the particularly preferable thickness is 0.12 to 0.16 mm.

かかる多孔質炭素基材の密度は、好ましくは0.3〜0.7g/cm、より好ましくは0.32〜0.60g/cm、特に好ましくは0.34〜0.60g/cmである。すなわち、かかる密度が0.3g/cmより低くなると、樹脂炭化物の量が少なくなり、均一な厚みにならず、厚みバラツキが大きくなる傾向があり、また、密度が0.7g/cmを越える場合は、固体高分子型燃料電池のガス拡散体として用いたときの水の排水性が悪くなり、水詰まりを起こし、電池性能を低下させる傾向が出てくる。 The density of the porous carbon substrate is preferably 0.3 to 0.7 g / cm 3 , more preferably 0.32 to 0.60 g / cm 3 , and particularly preferably 0.34 to 0.60 g / cm 3. It is. That is, when the density is lower than 0.3 g / cm 3 , the amount of the resin carbide is reduced, the thickness is not uniform, and the thickness variation tends to increase, and the density is reduced to 0.7 g / cm 3 . When exceeding, the drainage property of water when used as a gas diffuser of a polymer electrolyte fuel cell is deteriorated, causing water clogging and a tendency to deteriorate the cell performance.

目付、密度の測定は10cm×10cm角の多孔質炭素基材の重さを10枚測定し、その平均値から目付を算出する。密度は基材の厚みと目付とから算出する。   The basis weight and density are measured by measuring the weight of a 10 cm × 10 cm square porous carbon substrate and calculating the basis weight from the average value. The density is calculated from the thickness and basis weight of the substrate.

また、本発明の多孔質炭素基材は長さ50〜500mで、幅が100〜1000mmの範囲にあり、ロール状に巻き取られていることが好ましい。   Moreover, the porous carbon base material of this invention is 50-500 m in length, exists in the range of 100-1000 mm in width, and it is preferable that it is wound up by roll shape.

ロール状に巻き取られていることにより、撥水処理などの後処理を連続的に行うことができる。撥水処理などの後処理をする場合には1ロールで一度に処理できる量はロール長さと幅によるので、1ロール当たりの長さが50m以下の場合は処理できる量が少なくなり、生産性が低下する。また、ロール長さが500mを越えると1ロール当たりの重量、巻き径が大きくなり取り扱いにくくなる。また、幅が100mm以下の場合は搬送やハンドリング時に巻き崩れが起こりやすくなる。幅が1000mmを越えると1ロール当たりの重量が大きくなり取り扱いにくくなる。   By being wound up in a roll shape, post-treatment such as water repellent treatment can be continuously performed. When post-treatment such as water repellent treatment, the amount that can be processed at one time by one roll depends on the length and width of the roll. Therefore, when the length per roll is 50 m or less, the amount that can be processed is reduced and the productivity is reduced. descend. On the other hand, if the roll length exceeds 500 m, the weight per roll and the winding diameter become large, making it difficult to handle. In addition, when the width is 100 mm or less, the roll is likely to collapse during transportation and handling. When the width exceeds 1000 mm, the weight per roll becomes large and handling becomes difficult.

多孔質炭素基材はロール状で長さ方向に厚みの変化が無いことが好ましい。ロール内の長さ方向で厚みが大きく変化してしまうと、固体高分子型燃料電池のガス拡散体として用いたときに、シール材などの厚みの設計が難しく、基材がシール材よりも厚くなり十分にガス拡散体として用いたときにシール材によりシールされない場合や、シール材よりも薄くなりガス拡散体と膜との密着が悪くなることがある。十分にシールされない場合は、シールされていない部分からの燃料ガスの漏れが発生するなどの問題がある。また、膜との密着が悪い場合はその部分で剥離が起こり、電池性能が低下する。従って、多孔質炭素基材は長さ50〜500mで長さ方向に10mおきに20点ずつ測定した厚みの平均値の最大値と最小値の差が15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。   The porous carbon substrate is preferably roll-shaped and has no change in thickness in the length direction. If the thickness greatly changes in the length direction in the roll, it is difficult to design the thickness of the sealing material when used as a gas diffuser of a polymer electrolyte fuel cell, and the base material is thicker than the sealing material. When it is used as a gas diffuser sufficiently, it may not be sealed by the seal material, or it may be thinner than the seal material and the adhesion between the gas diffuser and the film may deteriorate. If it is not sufficiently sealed, there is a problem that fuel gas leaks from an unsealed portion. Further, when the adhesion with the film is poor, peeling occurs at that portion, and the battery performance is lowered. Accordingly, the difference between the maximum value and the minimum value of the average value of the thickness of the porous carbon base material measured at 20 points at intervals of 10 m in the length direction of 50 to 500 m is preferably 15 μm or less. More preferably.

本発明の多孔質炭素基材に用いられる炭素繊維は平均繊維径が5〜20μmであることが好ましい。平均繊維径が5μm以下の場合、炭素繊維の種類にもよるが、多孔質炭素基材の柔軟性が低くなり、ロール状にすることが難しい。また、平均繊維径が20μmを越えると、多孔質炭素基材の強度が低下することがある。炭素繊維の平均繊維径は6〜13μmであることがより好ましく、6〜10μmであることがさらに好ましい。   The carbon fiber used for the porous carbon substrate of the present invention preferably has an average fiber diameter of 5 to 20 μm. When the average fiber diameter is 5 μm or less, although depending on the type of carbon fiber, the flexibility of the porous carbon substrate is lowered and it is difficult to form a roll. On the other hand, if the average fiber diameter exceeds 20 μm, the strength of the porous carbon substrate may be lowered. The average fiber diameter of the carbon fibers is more preferably 6 to 13 μm, and further preferably 6 to 10 μm.

炭素繊維の平均繊維径は、基材の5,000倍の電子顕微鏡による繊維の断面写真から任意の10本の炭素繊維を選択してその繊維径を測定し、その単純平均値として求める。横断面の形状が円形でない、たとえば楕円径である場合には、長径と短径の平均値を繊維径とする。また、電子顕微鏡写真の樹脂炭化物部分を確認することにより炭素質粉末の有無を確認することができる。   The average fiber diameter of the carbon fibers is determined as a simple average value by selecting arbitrary 10 carbon fibers from a cross-sectional photograph of the fibers with an electron microscope of 5,000 times that of the substrate and measuring the fiber diameter. When the cross-sectional shape is not circular, for example, an elliptical diameter, the average value of the major axis and the minor axis is taken as the fiber diameter. Moreover, the presence or absence of carbonaceous powder can be confirmed by confirming the resin carbide part of the electron micrograph.

本発明の多孔質炭素材は導電性向上のために炭素質粉末を含んでいることが好ましい。炭素質粉末としては、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、炭素質ミルド繊維、膨張黒鉛などがあり、導電性向上のために黒鉛を用いることがより好ましい。   The porous carbon material of the present invention preferably contains carbonaceous powder in order to improve conductivity. Examples of the carbonaceous powder include carbon black, graphite, carbon nanotube, carbonaceous milled fiber, and expanded graphite. It is more preferable to use graphite for improving conductivity.

図3、図4は、固体高分子型燃料電池の一例を示す部分断面図である(図3は、後述する膜−電極接合体部分の構造説明のための符号を付けるために、図4におけるガスケット部分を省略したものである。図4は、ガスケット部分以外の符号を省略しているが、ガスケット以外の部分は図3と共通である。)。図3において、固体高分子電解質膜8の両側に触媒層9、ガス拡散体11を配し、これらを加熱加圧して一体化して膜−電極接合体を構成する。図3に示す例では、ガス拡散体11は、多孔質炭素基材1の片面に導電性を有するガス拡散層10を配置したものである。前記膜−電極接合体をセパレータ12で挟んで単電池を構成する。セパレータ12とガス拡散体11の間には、固体高分子型燃料電池の反応に用いられる水素や酸素を供給するガス流路13が形成される。本発明にかかる多孔質炭素基材1は本例のような固体高分子型燃料電池のガス拡散体11の材料として好ましく用いられる。なお、図3では、多孔質炭素基材1の片面に導電性を有するガス拡散層10を配置したガス拡散体11を示しているが、ガス拡散層10を有しない構成も可能である。   3 and 4 are partial cross-sectional views showing an example of a polymer electrolyte fuel cell (FIG. 3 is a cross-sectional view in FIG. 4 for attaching reference numerals for explaining the structure of a membrane-electrode assembly part to be described later. (The gasket portion is omitted. In Fig. 4, the reference numerals other than the gasket portion are omitted, but the portions other than the gasket are the same as those in Fig. 3.) In FIG. 3, a catalyst layer 9 and a gas diffusion body 11 are arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 8, and these are integrated by heating and pressurizing to form a membrane-electrode assembly. In the example shown in FIG. 3, the gas diffuser 11 has a conductive gas diffusion layer 10 disposed on one surface of the porous carbon substrate 1. A unit cell is formed by sandwiching the membrane-electrode assembly between separators 12. Between the separator 12 and the gas diffuser 11, a gas flow path 13 for supplying hydrogen and oxygen used for the reaction of the polymer electrolyte fuel cell is formed. The porous carbon substrate 1 according to the present invention is preferably used as a material for the gas diffuser 11 of the polymer electrolyte fuel cell as in this example. 3 shows the gas diffuser 11 in which the gas diffusion layer 10 having conductivity is disposed on one surface of the porous carbon substrate 1, a configuration without the gas diffusion layer 10 is also possible.

本発明に係るガス拡散体11は、燃料電池に用いたときの水詰まりを防止する目的、また固体高分子電解質膜の保水性を向上させる目的で上記多孔質炭素基材1に撥水性の物質を付与せしめて構成されることが好ましい。撥水性の物質は特に限定されないが、たとえば含フッ素化合物や含珪素化合物などが好ましく使用される。   The gas diffuser 11 according to the present invention is a water-repellent substance on the porous carbon substrate 1 for the purpose of preventing water clogging when used in a fuel cell and for improving the water retention of the solid polymer electrolyte membrane. It is preferable that it is configured by adding. The water-repellent substance is not particularly limited, but for example, a fluorine-containing compound or a silicon-containing compound is preferably used.

本発明に係るガス拡散体11は、前記多孔質炭素材または上記撥水性物質を付与せしめた多孔質炭素材の少なくとも片側表面に導電性を有するガス拡散層10を有することが好ましい。導電性を有するガス拡散層10としては、フッ素樹脂とカーボンブラックを含むことが好ましい。ここで、フッ素樹脂とは、テトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、パーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(FEP)、フッ化エチレンテトラフルオロエチレン樹脂(ETFE)など、その構造中にフッ素原子を含む撥水性を有する樹脂のことをいう。ガス拡散体11の少なくともその片側表面に導電性を有するガス拡散層10を設けることにより、ガス拡散体11の表面が平滑となり、固体高分子電解質膜8との電気的接触を確保しやすくなるという効果を有する。また、膜−電極接合体(図3における8,9,11からなる部分)を作成する際に、ガス拡散体の凸部が固体高分子電解質膜に突き刺さり短絡を生じるのを防ぐという効果も有する。   The gas diffuser 11 according to the present invention preferably has an electrically conductive gas diffusion layer 10 on at least one surface of the porous carbon material or the porous carbon material provided with the water-repellent substance. The conductive gas diffusion layer 10 preferably contains a fluororesin and carbon black. Here, the fluororesin includes tetrafluoroethylene resin (PTFE), perfluoroalkoxy resin (PFA), fluorinated ethylene propylene resin (FEP), fluorinated ethylene tetrafluoroethylene resin (ETFE), etc. A resin having water repellency containing atoms. By providing the gas diffusion layer 10 having conductivity on at least one surface of the gas diffuser 11, the surface of the gas diffuser 11 becomes smooth and it is easy to ensure electrical contact with the solid polymer electrolyte membrane 8. Has an effect. In addition, when creating a membrane-electrode assembly (portion consisting of 8, 9, and 11 in FIG. 3), it has an effect of preventing the convex portion of the gas diffuser from sticking into the solid polymer electrolyte membrane and causing a short circuit. .

本発明に係る膜−電極接合体は、両ガス拡散体のうち少なくとも片側に上記ガス拡散体11を用いる。触媒層9は、固体高分子電解質と触媒担持炭素を含む層からなる。触媒担持炭素とは一般に固体高分子が多燃料電池に使用され、電極反応の有効面積を増やすために炭素に触媒の微粒子を担持させたものである。触媒には白金およびルテニウムを用いることが好ましい。   The membrane-electrode assembly according to the present invention uses the gas diffuser 11 on at least one side of both gas diffusers. The catalyst layer 9 is composed of a layer containing a solid polymer electrolyte and catalyst-supporting carbon. In general, the catalyst-supported carbon is one in which a solid polymer is used in a multi-fuel cell, and catalyst fine particles are supported on carbon in order to increase the effective area of electrode reaction. Platinum and ruthenium are preferably used as the catalyst.

本発明に係る膜−電極接合体は、上述のように厚みの標準偏差が小さいためガス拡散体としたときの膜へのダメージが少なく、長時間運転時の電池性能の低下が小さく、高い電池特性を示す。   Since the membrane-electrode assembly according to the present invention has a small standard deviation in thickness as described above, there is little damage to the membrane when used as a gas diffuser, and there is little degradation in battery performance during long-time operation. Show properties.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、膜−電極接合体の両側にガスケット14を介してセパレータで挟んだものを複数枚重ね合わせたものである。上述したように、長時間運転時の電池性能の低下が小さく、高い電池特性を示す上記膜−電極接合体を用いるため、本発明で提案する燃料電池は非常に高い性能を示す。   The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is obtained by superposing a plurality of cells sandwiched between separators via gaskets 14 on both sides of a membrane-electrode assembly. As described above, the fuel cell proposed in the present invention exhibits very high performance because of the use of the above-described membrane-electrode assembly that shows a small decrease in battery performance during long-time operation and exhibits high battery characteristics.

次に本発明の多孔質炭素基材の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the porous carbon base material of this invention is demonstrated.

本発明の多孔質炭素基材の製造方法は、炭素短繊維と樹脂を含む前駆体繊維シートを互いに平行に位置する熱板間に間欠的に搬送し、搬送が停止している間に、互いに平行に位置する熱板間で加熱加圧処理する圧縮工程と、圧縮処理された前駆体繊維シート中の樹脂を炭化処理する炭化工程とを含み、この2工程が基本工程である。   The method for producing a porous carbon substrate according to the present invention intermittently conveys a precursor fiber sheet containing carbon short fibers and a resin between hot plates located in parallel with each other, and while the conveyance is stopped, The two steps are a basic step, including a compression step in which heat and pressure treatment is performed between parallel hot plates and a carbonization step in which the resin in the precursor fiber sheet subjected to the compression treatment is carbonized.

圧縮工程では、互いに平行に位置する熱板上に2枚以上のスペーサーを前駆体繊維シートの横に配置して、その2枚以上のスペーサー間に前駆体繊維シートを搬送して加熱加圧することを特徴とする多孔質炭素基材の製造方法である。   In the compression step, two or more spacers are placed beside the precursor fiber sheet on a hot plate positioned parallel to each other, and the precursor fiber sheet is conveyed and heated and pressed between the two or more spacers. A method for producing a porous carbon substrate characterized by the following.

互いに平行な熱板とは、少なくともその50%以上の面積において、平行度が1mm以下であるものをいう。平行度は、熱板上に配した鉛片を加熱加圧変形させ、変形後の鉛片の厚みの最大値と最小値の差と定義する。また、両方の熱板の材質は同じであっても良いが、違うものを用いることもできる。例えば、片方の熱板をステンレス製とし、もう片方の熱板をシリコンゴム製としてもよい。   The parallel hot plates are those having a parallelism of 1 mm or less in at least an area of 50% or more. The parallelism is defined as a difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the lead piece after the lead piece arranged on the hot plate is heated and pressed and deformed. Moreover, although the material of both hot plates may be the same, a different thing can also be used. For example, one hot plate may be made of stainless steel and the other hot plate may be made of silicon rubber.

この製造方法において、図2に示されるように、前駆体繊維シート3を熱板5,6間に搬送し、間欠的に加圧、解放を繰り返す熱板5で搬送が停止している間に、前駆体繊維シート3を熱板5,6間で連続加熱加圧する。熱板5,6の対向面は、互いに平行に配置され前駆体繊維シートはこれらにより面圧を受けながら加熱加圧される。前駆体繊維シート3を搬送するときは、熱板5,6を離反し、前駆体繊維シート3の移動を可能にする。この時、下の熱板6上にスペーサー7を前駆体繊維シート3の横に配置して、そのスペーサー7間に前駆体繊維シート3を搬送する。   In this manufacturing method, as shown in FIG. 2, while the precursor fiber sheet 3 is conveyed between the hot plates 5 and 6, the conveyance is stopped by the hot plate 5 that repeatedly pressurizes and releases intermittently. The precursor fiber sheet 3 is continuously heated and pressed between the hot plates 5 and 6. The opposing surfaces of the hot plates 5 and 6 are arranged in parallel to each other, and the precursor fiber sheet is heated and pressurized while receiving a surface pressure. When the precursor fiber sheet 3 is conveyed, the hot plates 5 and 6 are separated from each other to allow the precursor fiber sheet 3 to move. At this time, the spacer 7 is disposed on the lower hot plate 6 next to the precursor fiber sheet 3, and the precursor fiber sheet 3 is conveyed between the spacers 7.

上述したように、固体高分子型燃料電池のガス拡散体に用いられる多孔質炭素板には非常に高い厚みの均質性が求められる。一般にプレスにより加熱加圧して成形される繊維と熱硬化性樹脂よりなる成形品においては、熱板の平行度や型の精度で寸法精度が決定されるため、達成される寸法精度としては数百μm〜1mm程度であり、固体高分子型燃料電池のガス拡散体に用いられる多孔質炭素板に求められる厚みの精度とはオーダーが大きく異なる。本発明では後述のようにスペーサーを両側に配した熱板上に前駆体繊維シートを間欠的に搬送しながら加熱加圧することで高い厚さ精度をえることができる。また、送り長さを細かくすることで、熱板上で前駆体繊維シートが複数回加熱加圧されることになり、厚みが平均化されてより高い厚さ精度を得ることができるのである。   As described above, the porous carbon plate used for the gas diffuser of the polymer electrolyte fuel cell is required to have a very high thickness uniformity. In general, in molded products made of fibers and thermosetting resins that are molded by heating and pressing with a press, the dimensional accuracy is determined by the parallelism of the hot plate and the accuracy of the mold. It is about μm to 1 mm, and the order is greatly different from the accuracy of the thickness required for the porous carbon plate used for the gas diffuser of the polymer electrolyte fuel cell. In the present invention, as will be described later, high thickness accuracy can be obtained by heating and pressing the precursor fiber sheet while intermittently conveying the precursor fiber sheet on a hot plate having spacers arranged on both sides. Further, by making the feed length fine, the precursor fiber sheet is heated and pressed on the hot plate a plurality of times, and the thickness is averaged to obtain higher thickness accuracy.

多孔質炭素板の成形に用いられる従来のベルトプレスでは、前駆体繊維シートは、長手方向に連続して移動しながら加圧処理を受けるが、そこにおける前駆体繊維シートが受ける加圧の形態は、線圧であり、短時間で成形するために型温を高くする必要があった。その為に、樹脂の急激な硬化が起こり、前駆体繊維シートの厚みばらつきが発生する。   In a conventional belt press used for forming a porous carbon plate, the precursor fiber sheet is subjected to a pressure treatment while continuously moving in the longitudinal direction. In order to form in a short time, it was necessary to increase the mold temperature. Therefore, rapid curing of the resin occurs, and the thickness variation of the precursor fiber sheet occurs.

この問題に対し、本発明ではスペーサーを入れることで熱板間の厚みを調整し、面圧をかけながら連続加熱加圧することにより、樹脂が硬化して前駆体繊維シートが成型される際に面圧で十分に加熱加圧されることから厚み精度の高い多孔質炭素基材が得られる。   In order to solve this problem, the present invention adjusts the thickness between the hot plates by inserting a spacer, and continuously heats and presses the surface pressure while applying the surface pressure, so that the resin is cured and the precursor fiber sheet is molded. A porous carbon substrate with high thickness accuracy can be obtained because the pressure is sufficiently heated and pressurized.

本発明のスペーサーの前駆体繊維シート搬送方向の長さをL、互いに平行な熱板の有効加圧長Lとしたときに、L/Lが0.5〜1.1であることが好ましい。L/Lが0.5より小さいとき、すなわち、熱板の長さに対して、十分な長さのスペーサーが配置されないときは、前駆体繊維シートが加熱加圧されたときに、厚みが制御されている部分が少なく、十分な厚み精度のものを得ることができない。L/Lが1.1を越える場合は、加圧長に対して、余分にスペーサーが存在することになりスペーサーが長くなるため取り扱いにくくなる。まスペーサーの取り扱いのためにスペーサーを短くして、前駆体繊維シートの搬送方向に2枚以上のスペーサーを並べて用いても良い。その場合、Lは2枚以上のスペーサー長さを足した値と定義する。 L S / L P is 0.5 to 1.1 when the length of the precursor fiber sheet conveying direction of the spacer of the present invention is L S , and the effective pressurization length L P of the hot plate parallel to each other. It is preferable. When L S / L P is smaller than 0.5, that is, when a spacer having a sufficient length is not arranged with respect to the length of the hot plate, the thickness is increased when the precursor fiber sheet is heated and pressurized. However, there are few parts where the thickness is controlled, and it is not possible to obtain a film having sufficient thickness accuracy. When L S / L P exceeds 1.1, an extra spacer is present with respect to the pressurization length, and the spacer becomes longer, which makes it difficult to handle. In order to handle the spacer, the spacer may be shortened, and two or more spacers may be arranged side by side in the transport direction of the precursor fiber sheet. In that case, L S is defined as a value obtained by adding two or more spacer length.

ここで、有効加圧長とは、前駆体繊維シートが熱板と接し、加熱加圧される部分の長さをいう。   Here, the effective pressurization length refers to the length of the portion where the precursor fiber sheet is in contact with the hot plate and heated and pressed.

本発明のスペーサーは前駆体繊維シートの幅W、スペーサーの幅Wとしたときに、W/Wが0.01〜0.30であることが好ましい。W/Wが0.01よりも小さいと、スペーサーの幅が細く、熱板間の厚みを十分に制御することが出来ない、また、スペーサーに単位面積当たり過剰な圧力がかかりスペーサーが変形する恐れがある。W/Wが0.30より大きくなると、スペーサーは両側に2枚以上用いるので、基材の幅に対して、60%以上のスペーサーが存在することになり、厚みを制御するのに過剰なスペーサーを用いており無駄である。 When the spacer of the present invention has a width W P of the precursor fiber sheet and a width W S of the spacer, W S / W P is preferably 0.01 to 0.30. If W S / W P is less than 0.01, the width of the spacer is too thin to control the thickness between the hot plates, and the spacer is deformed by excessive pressure per unit area. There is a fear. When W S / W P is greater than 0.30, two or more spacers are used on both sides, so that there are 60% or more spacers relative to the width of the substrate, which is excessive for controlling the thickness. It uses a large spacer and is useless.

また、本発明のスペーサーは加圧された際に変形しないことが好ましく、また、長さ方向に厚みが変わらないことが好ましい。スペーサーが加圧時に変形してしまうと、設計通りの厚みにすることが難しい。このためにスペーサーの材質としては、金属製のものが好ましいが、加圧時に変形しないものであれば特に限定されるものではない。また、長さ方向に厚みが変化してしまうと、同様に設計通りの厚みにするのは難しく、また、面圧で均一にプレスされないため、均一な厚みのものを得られない可能性がある。   Moreover, it is preferable that the spacer of the present invention does not deform when pressed, and the thickness does not change in the length direction. If the spacer is deformed during pressurization, it is difficult to obtain a thickness as designed. For this reason, the spacer is preferably made of metal, but is not particularly limited as long as it does not deform when pressed. Also, if the thickness changes in the length direction, it is difficult to make the thickness as designed, and it is not possible to obtain a uniform thickness because it is not uniformly pressed by the surface pressure. .

圧縮工程では、前駆体繊維シートは、樹脂を含んでいることから、樹脂が熱可塑性樹脂の場合には加熱時に溶融して熱板と接着する可能性があり、熱硬化性樹脂の場合では、加熱時に粘度が下がるとともに硬化することから熱板と接着する可能性があるため、熱板と前駆体繊維シートが接着しないように離型処理することが好ましい。離型処理としては、熱板をフッ素加工することや、熱板上に離型シートを配置するなどの手法が考えられるが、フッ素加工する場合では圧縮工程を行っていくと処理したフッ素処理した部分の離型性が長時間使用するに従い無くなってしまうため、長期的に使うのは難しい。離型シートを配置する場合でも長時間使用により、その離型性は失われていくため、長期的に使うことは難しい。   In the compression process, since the precursor fiber sheet contains a resin, there is a possibility that when the resin is a thermoplastic resin, the precursor fiber sheet melts at the time of heating and adheres to the hot plate, and in the case of a thermosetting resin, Since the viscosity lowers during heating and cures, there is a possibility of bonding to the hot plate. Therefore, it is preferable to perform a release treatment so that the hot plate and the precursor fiber sheet are not bonded. As the mold release treatment, methods such as fluorination of the hot plate and placing a release sheet on the hot plate can be considered, but in the case of fluorination processing, if the compression process is performed, the fluorination treatment was performed. It is difficult to use for a long time because the releasability of the part disappears as it is used for a long time. Even when a release sheet is placed, it is difficult to use for a long time because the release property is lost by long-time use.

そのため本発明では前駆体シートを挟み込むように2枚以上の離型シートを配置し、前駆体シートと共に搬送して加熱加圧することが好ましい。これにより、前駆体シートが熱板に接着することを防ぎ、離型シートは前駆体シートと共に搬送され、共に加熱加圧されて、プレスから出ていくことから、離型シートが加熱加圧される時間は前駆体シートと同じで短時間であるため離型性が失われるといった心配はない。また、離型シートと前駆体シートは圧縮処理後も接着しないことから圧縮工程後に前駆体繊維シートと離型シートを分けるのは容易である。これにより、前駆体繊維シートを連続加熱加圧して厚みの精度高く成型することが可能となる。   Therefore, in this invention, it is preferable to arrange | position two or more release sheets so that a precursor sheet | seat may be pinched | interposed, and to convey and heat-press with a precursor sheet | seat. This prevents the precursor sheet from adhering to the hot plate, and the release sheet is conveyed together with the precursor sheet, heated and pressed together, and comes out of the press. There is no worry that the releasability is lost because the time required is the same as the precursor sheet and is short. Further, since the release sheet and the precursor sheet do not adhere even after the compression treatment, it is easy to separate the precursor fiber sheet and the release sheet after the compression step. As a result, the precursor fiber sheet can be continuously heated and pressed to be molded with high thickness accuracy.

離型シートとしては、フィルムや紙に離型処理を施した離型フィルムや、離型紙などが用いられるが、離型性のシートであれば特に限定されるものではない。前駆体繊維シート1枚を加熱加圧する場合は、上下2枚あれば良く、その場合、少なくとも前駆体シート側にくる片面だけ離型処理された離型シートを用いればよい。前駆体繊維シートを複数段積層して、同時に加熱加圧する場合においては、前駆体繊維シート間に両面が離型処理された両面離型シートを用いることにより、複数段の連続加熱加圧処理が可能となる。   As the release sheet, a release film obtained by subjecting a film or paper to a release process, a release paper, or the like is used, but it is not particularly limited as long as it is a release sheet. When heating and pressurizing one precursor fiber sheet, it is sufficient that there are two upper and lower sheets. In that case, a release sheet on which at least one side coming to the precursor sheet side is subjected to release treatment may be used. In the case where a plurality of precursor fiber sheets are laminated and heated and pressurized at the same time, by using a double-sided release sheet in which both surfaces are released between the precursor fiber sheets, a multi-stage continuous heating and pressurizing process is performed. It becomes possible.

離型シートを用いる場合、離型シートの厚みをT、圧縮工程により圧縮された前駆体繊維シートの厚みをTとするとき、スペーサーの厚みTは、下記(1)式
<T+T ・・・(1)
を満たすことが好ましい。ここで、離型シート・前駆体繊維シートを複数枚用いて同時に加熱加圧する場合、T、Tは用いた枚数分の厚みの和である。すなわち、これにより前駆体繊維シートは圧縮工程の加圧時において、圧縮工程後の厚みよりも薄くなっていることが必要である。一般的に、繊維と樹脂よりなる成形品、もしくは樹脂の成形品をプレスにより厚みを調整して加熱加圧して得る場合は、下記(1’)式
=T+T ・・・(1’)
となるように、スペーサー厚みTを設定する、すなわち、圧縮され成型されている時の厚みが圧縮工程後の厚みとなるようにスペーサー厚みTを設計する。しかしながら、本発明の多孔質炭素基材を作製するための前駆体繊維シートの圧縮工程においては、(1’)式を満たすように設計したスペーサー厚みを用いると、圧縮工程後の厚みが圧縮されているときの厚みよりも厚くなるといった現象が発生することがあった。この厚くなる原因について発明者らが検討したところ、本発明の前駆体繊維シートは一般に用いられる繊維と樹脂よりなる成形品とは異なり、多孔質であるために加熱加圧して樹脂が硬化して成型された後でも、圧が解放されるとシートの厚みが一定量厚くなるといったスプリングバックが発生することを見いだした。したがって、本発明ではスプリングバックが発生する場合はそのスプリングバックによる変形量を考慮してスペーサーTを(1)式に従って設計することが、圧縮工程後の前駆体繊維シートの厚みを設定し、さらには炭化工程後の厚みを設計するために好ましい。
When using a release sheet, when the thickness of the release sheet T R, the precursor fiber sheet thickness compressed by the compression process and T P, the thickness T S of the spacer, the following equation (1) T S < T R + T P (1)
It is preferable to satisfy. Here, when heating and pressing simultaneously using a plurality of release sheet precursor fiber sheet, T P, is T R is the sum of the number of sheets of thickness used. That is, this requires that the precursor fiber sheet is thinner than the thickness after the compression step when the compression step is performed. In general, when a molded product made of fibers and resin or a molded product of resin is obtained by adjusting the thickness by press and heating and pressing, the following formula (1 ′): T S = T R + T P ( 1 ')
As will be set spacer thickness T S, i.e., the compressed thickness when being molded to design a spacer thickness T S so that the thickness after the compression step. However, in the step of compressing the precursor fiber sheet for producing the porous carbon base material of the present invention, if the spacer thickness designed to satisfy the formula (1 ′) is used, the thickness after the compression step is compressed. In some cases, the thickness becomes thicker than the thickness when it is. The inventors have investigated the cause of this thickening, and the precursor fiber sheet of the present invention is porous, unlike a molded product made of generally used fibers and resins, so that the resin is cured by heating and pressing. Even after molding, it was found that when the pressure is released, a springback occurs in which the thickness of the sheet increases by a certain amount. Therefore, if the present invention in which the spring-back occurs be designed according spacer T S a (1) taking into account the amount of deformation due to the spring back, set the precursor fiber sheet thickness after the compression step, Furthermore, it is preferable for designing the thickness after the carbonization step.

スペーサー厚さTから離型紙厚さTを引いたものが圧縮工程の圧縮時の厚さとなることから、スプリングバックが発生する場合は、下記(2)式
R=(T−T)/T・・・(2)
で示される、圧縮時の厚みと圧縮後の厚みの比Rが0.5<R<0.98を満たすようにスペーサー厚みTを設定することが好ましい。より好ましくは、0.6<R<0.96、さらに好ましくは0.7<R<0.93である。Rが0.5未満であると、スプリングバック量が大きくなりすぎ、厚みの標準偏差を小さくすることが難しく、好ましくない。また、Rが0.98を越えるような場合は前駆体繊維シートに含まれる樹脂量が十分多くなりすぎていることから、好適な密度の多孔質炭素基材を得ることが困難となり、好ましくない。
Since the thickness obtained by subtracting the release paper thickness T R from the spacer thickness T S is the thickness at the time of compression in the compression process, when spring back occurs, the following equation (2) R = (T S −T R ) / T P ··· (2)
In shown, the ratio R of the thickness after compressed thickness during compression it is preferable to set the spacer thickness T S so as to satisfy 0.5 <R <0.98. More preferably, 0.6 <R <0.96, and even more preferably 0.7 <R <0.93. If R is less than 0.5, the amount of springback becomes too large, and it is difficult to reduce the standard deviation of thickness, which is not preferable. On the other hand, when R exceeds 0.98, the amount of resin contained in the precursor fiber sheet is too large, and it becomes difficult to obtain a porous carbon substrate having a suitable density, which is not preferable. .

圧縮工程により圧縮された前駆体シートの厚みTは、マイクロメーターを用いて基材の厚み方向に0.15MPaの面圧を付与して測定する。測定回数は20回とし、その平均値を厚みとする。 The thickness T P of the precursor sheet compressed by the compression process is determined by applying a surface pressure of 0.15MPa in the thickness direction of the substrate using a micrometer. The number of measurements is 20 times, and the average value is the thickness.

スペーサー厚みT、離型シート厚みTについては、マイクロメーターを用いて厚み方向に圧縮工程の加圧時の面圧と同じ面圧をかけて測定する。測定回数は20回とし、その平均値を厚みとする。 Spacer thickness T S, the release sheet thickness T R, measured over the same surface pressure and pressurizing time of surface pressure in the thickness direction to the compression step using a micrometer. The number of measurements is 20 times, and the average value is the thickness.

本発明では、搬送方向の熱板の有効加圧長をL、間欠的に搬送する際の前駆体繊維シートの送り量をLとするとき、L/Lは、0.1〜0.98が好ましく、より好ましくは0.15〜0.45である。L/Lが小さいと、加圧される回数が増加し、厚みも平均化するため厚みのバラツキが低下し、また、加熱加圧による緻密化効果をより平均化することができるが、処理時間における、プレスの開閉、前駆体繊維シートの送りに要する時間比率が増大し生産効率が悪くなる。また、L/Lが0.98を越えると、送り量の誤差などによってL/Lが1を越えた場合に加圧されない部分ができ問題となる。ここで送り量とは、プレスを開いた際に搬送方向に送り出す(または引き取る)前駆体繊維シートの1回当たりの搬送量をいう。 In the present invention, when the effective pressure圧長L P of the heating plate in the conveying direction, the precursor feed rate of the fiber sheet when intermittently transported L F, L F / L P is 0.1 0.98 is preferable, and more preferably 0.15 to 0.45. If L F / L P is small, the number of times of pressurization increases and the thickness is also averaged, so that the variation in thickness is reduced, and the densification effect by heating and pressurization can be further averaged. In the processing time, the time ratio required for opening and closing the press and feeding the precursor fiber sheet increases, resulting in poor production efficiency. Further, when L F / L P exceeds 0.98, L F / L P, such as by feeding amount of error is a problem can pressurized portion not when exceeded 1. Here, the feed amount refers to the transport amount per time of the precursor fiber sheet that is sent out (or taken out) in the transport direction when the press is opened.

互いに平行な熱板での加熱加圧条件は、温度140〜300℃、面圧0.1〜4.0MPaで0.2〜15分加熱加圧することが好ましい。   The heating and pressurizing conditions with the hot plates parallel to each other are preferably heated and pressurized at a temperature of 140 to 300 ° C. and a surface pressure of 0.1 to 4.0 MPa for 0.2 to 15 minutes.

ここで、面圧とは、前駆体繊維シートの加圧面積に対するプレス荷重のことであり、スペーサーの面積は考慮しない。   Here, the surface pressure is a press load with respect to the pressurization area of the precursor fiber sheet, and the area of the spacer is not considered.

より好ましい処理温度は160〜300℃、さらに好ましくは170〜230℃である。温度が低すぎる場合、加熱加圧による前駆体繊維シートの緻密化効果が不十分で、十分な密度の多孔質炭素基材を得ることが出来ない。特に140℃未満ではその緻密化効果が小さくなる場合がある。温度が300℃を超える場合、空気中では前駆体繊維シート中の樹脂の酸化や分解反応が起こってしまうことから300℃以下とすることが好ましい。   More preferable processing temperature is 160-300 degreeC, More preferably, it is 170-230 degreeC. When the temperature is too low, the effect of densifying the precursor fiber sheet by heating and pressurization is insufficient, and a porous carbon substrate having a sufficient density cannot be obtained. In particular, when the temperature is less than 140 ° C., the densification effect may be reduced. When temperature exceeds 300 degreeC, since oxidation and decomposition reaction of resin in a precursor fiber sheet will occur in air, it is preferable to set it as 300 degrees C or less.

面圧は、好ましくは0.2〜2.5MPa、より好ましくは0.3〜1.5MPaである。圧力が低いと十分な加圧がされず厚みのバラツキが大きくなる。圧力が高いと前駆体繊維シートに線状の模様が発生する他、焼成後の炭素繊維シートの気体透過性が低下して燃料電池のガス拡散体として良好な特性を発揮できなくなる。また、加圧面であるプレス面や離型シートに接着する等の問題が起こる。さらに、プレス設備も25MPaで1mを加圧するためには2550tfの加圧力が必要となり、大規模なプレスシステムを用いるか、生産効率を落とし1回当たりの処理面積を小さくする必要が生じる。 The surface pressure is preferably 0.2 to 2.5 MPa, more preferably 0.3 to 1.5 MPa. When the pressure is low, sufficient pressurization is not performed and the variation in thickness increases. When the pressure is high, a linear pattern is generated on the precursor fiber sheet, and the gas permeability of the carbon fiber sheet after firing is lowered, so that good characteristics as a gas diffuser of a fuel cell cannot be exhibited. In addition, problems such as adhesion to a pressing surface that is a pressing surface and a release sheet occur. Furthermore, in order to pressurize 1 m 2 at 25 MPa, the press facility also requires a pressurizing force of 2550 tf, and it is necessary to use a large-scale press system or reduce the production efficiency and reduce the processing area per time.

以下の実施例における多孔質炭素基材に関する各特性値の測定方法は、次の通りである。   The measuring method of each characteristic value regarding the porous carbon base material in the following examples is as follows.

(目付、密度):
目付は、10cm×10cm角の多孔質炭素基材の重さを10枚測定し、その平均値から算出する。
(Weight, density):
The basis weight is calculated from an average value obtained by measuring 10 weights of a 10 cm × 10 cm square porous carbon substrate.

密度は基材の厚みと目付とから算出する。   The density is calculated from the thickness and basis weight of the substrate.

(平均繊維径):
炭素繊維の平均繊維径は、基材の5,000倍の電子顕微鏡による繊維の断面写真から任意の10本の炭素繊維を選択してその繊維径を測定し、その単純平均値として求める。横断面の形状が円形でない、たとえば楕円径である場合には、長径と短径の平均値を繊維径とする。また、電子顕微鏡写真の樹脂炭化物部分を確認することにより炭素質粉末の有無を確認することができる。
(Average fiber diameter):
The average fiber diameter of the carbon fibers is determined as a simple average value by selecting arbitrary 10 carbon fibers from a cross-sectional photograph of the fibers with an electron microscope of 5,000 times that of the substrate and measuring the fiber diameter. When the cross-sectional shape is not circular, for example, an elliptical diameter, the average value of the major axis and the minor axis is taken as the fiber diameter. Moreover, the presence or absence of carbonaceous powder can be confirmed by confirming the resin carbide part of the electron micrograph.

実施例1
東レ株式会社製ポリアクリロニトリル系炭素繊維“トレカ(登録商標)”T300−6K(平均単繊維径:7μm、単繊維数:6,000本)を12mmの長さにカットし、水を抄造媒体として連続的に抄造し、さらにポリビニルアルコールの10重量%水溶液に浸漬し、乾燥して、炭素繊維の目付が約20g/mの長尺の炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。ポリビニルアルコールの付着量は、炭素繊維紙100重量部に対して20重量部に相当する。
Example 1
Polyacrylonitrile-based carbon fiber “Torayca (registered trademark)” T300-6K (average single fiber diameter: 7 μm, number of single fibers: 6,000 fibers) manufactured by Toray Industries, Inc. is cut to a length of 12 mm, and water is used as a papermaking medium. The paper was continuously made, further immersed in a 10% by weight aqueous solution of polyvinyl alcohol and dried to obtain a long carbon fiber paper having a carbon fiber basis weight of about 20 g / m 2 and wound into a roll. The adhesion amount of polyvinyl alcohol corresponds to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber paper.

中越黒鉛工業所社製鱗片状黒鉛BF−5A(平均粒径5μm)、フェノール樹脂、メタノールを1:4:16の重量比で混合した分散液を用意した。上記炭素繊維紙に、炭素繊維紙100重量部に対してフェノール樹脂が110重量部になるように、上記分散液に連続的に含浸し、90℃で3分間乾燥することにより樹脂含浸炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。フェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを1:1の重量比で混合した樹脂を用いた。   A dispersion prepared by mixing scale-like graphite BF-5A (average particle size 5 μm), phenol resin, and methanol at a weight ratio of 1: 4: 16 manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd. was prepared. The carbon fiber paper is continuously impregnated with the dispersion so that the phenol resin becomes 110 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber paper, and dried at 90 ° C. for 3 minutes, thereby impregnating the resin-impregnated carbon fiber paper. And rolled up into a roll. As the phenol resin, a resin in which a resol type phenol resin and a novolac type phenol resin were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used.

株式会社カワジリ社製100tプレスに熱板5,6が互いに平行となるようセットした。熱板6上にスペーサー7を樹脂含浸繊維紙の横に2枚配置した。この際熱板の有効加圧長Lは1200mmで、スペーサーの長さLは1200mmとし、L/L=1.0とした。前駆体繊維シートの幅Wは600mmで、スペーサーの幅は100mmとし、W/W=0.17とした。片側を離型処理した2枚の離型紙を離型処理した面が樹脂含浸炭素繊維紙側に向かうように挟み込み、熱板温度170℃、面圧0.8MPaで、プレスの開閉を繰り返しながら600mmの幅の樹脂含浸炭素繊維紙と離型紙を共に間欠的に搬送しつつ、同じ箇所がのべ6分間加熱加圧されるよう圧縮処理した。この際、熱板の有効加圧長Lは1200mmで、間欠的に搬送する際の前駆体繊維シートの送り量Lを100mmとし、L/L=0.08とした。すなわち、30秒の加熱加圧、型開き、炭素繊維紙の送り(100mm)、を繰り返すことによって圧縮処理を行い、600mmの幅でロール状に巻き取った。 The hot plates 5 and 6 were set so as to be parallel to each other on a 100 t press manufactured by Kawajiri Co., Ltd. Two spacers 7 were placed on the hot plate 6 beside the resin-impregnated fiber paper. At this time, the effective pressurization length L P of the hot plate was 1200 mm, the spacer length L S was 1200 mm, and L S / L P = 1.0. The width W P of the precursor fiber sheet was 600 mm, the width of the spacer was 100 mm, and W S / W P = 0.17. Two release papers with release treatment on one side are sandwiched so that the release treatment surface faces the resin-impregnated carbon fiber paper side, the hot plate temperature is 170 ° C., the contact pressure is 0.8 MPa, and the press is repeatedly opened and closed and 600 mm While the resin-impregnated carbon fiber paper and release paper having a width of 5 mm were intermittently conveyed, the same portion was subjected to compression treatment so as to be heated and pressurized for a total of 6 minutes. At this time, the effective pressurization length L P of the hot plate was 1200 mm, the feed amount L F of the precursor fiber sheet when intermittently conveyed was 100 mm, and L F / L P = 0.08. That is, compression treatment was performed by repeating heating and pressurization for 30 seconds, mold opening, and feeding of carbon fiber paper (100 mm), and the product was wound up in a roll shape with a width of 600 mm.

樹脂の加熱処理をした上記炭素繊維紙を前駆体繊維シートとして、窒素ガス雰囲気に保たれた、最高温度が2,000℃の加熱炉に導入し、加熱炉内を連続的に走行させながら、約500℃/分(650℃までは400℃/分、650℃を超える温度では550℃/分)の昇温速度で焼成し、ロール状に巻き取った。得られた多孔質炭素基材の長さは100mであった。   The carbon fiber paper subjected to resin heat treatment as a precursor fiber sheet, maintained in a nitrogen gas atmosphere, introduced into a heating furnace having a maximum temperature of 2,000 ° C., and continuously running in the heating furnace, It was fired at a heating rate of about 500 ° C./min (400 ° C./min up to 650 ° C., and 550 ° C./min at temperatures exceeding 650 ° C.) and wound up in a roll. The length of the obtained porous carbon substrate was 100 m.

得られた多孔質炭素基材1の諸元、製造条件および評価結果を以下に示す。   The specifications, production conditions and evaluation results of the obtained porous carbon substrate 1 are shown below.

炭素繊維の平均繊維径 :7μm
厚み :0.14mm
目付 :64g/m
密度 :0.45g/cm
厚みの標準偏差 :3.9μm
10m毎の厚みの最大値と最小値の差 :8μm
スペーサー厚み T :250μm
離型紙厚みT(70μm/枚×2枚) :140μm
圧縮工程後基材厚み T :170μm
スペーサー長さL :1200mm
スペーサー幅W :100mm

実施例2
圧縮工程において、熱板温度200℃、面圧1.0MPaでシートの送り量Lを200mmで同じ箇所がのべ1.5分間プレスされるようにした以外は、実施例1と同様にして多孔質炭素基材を得た。
Average fiber diameter of carbon fiber: 7 μm
Thickness: 0.14mm
Per unit weight: 64 g / m 2
Density: 0.45 g / cm 3
Standard deviation of thickness: 3.9 μm
Difference between maximum value and minimum value of thickness every 10m: 8μm
Spacer thickness T S : 250 μm
Release paper thickness T R (70 μm / sheet × 2 sheets): 140 μm
Base thickness after the compression step T P: 170 [mu] m
Spacer length L S : 1200mm
Spacer width W S: 100mm

Example 2
In the compression step, the same procedure as in Example 1 was performed except that the same location was pressed for a total of 1.5 minutes at a hot plate temperature of 200 ° C., a surface pressure of 1.0 MPa, and a sheet feed amount L F of 200 mm. A porous carbon substrate was obtained.

得られた多孔質炭素基材1の諸元、製造条件および評価結果を以下に示す。   The specifications, production conditions and evaluation results of the obtained porous carbon substrate 1 are shown below.

炭素繊維の平均繊維径 :7μm
厚み :0.14mm
目付 :64g/m
密度 :0.45g/cm
厚みの標準偏差 :4.0μm
10m毎の厚みの最大値と最小値の差 :9μm
スペーサー厚み T :250μm
離型紙厚みT(70μm/枚×2枚) :140μm
圧縮工程後基材厚み T :170μm
スペーサー長さL :1200mm
スペーサー幅W :100mm

比較例1
圧縮工程でスペーサーを用いない以外は実施例1と同様にして多孔質炭素基材を得た。
Average fiber diameter of carbon fiber: 7 μm
Thickness: 0.14mm
Per unit weight: 64 g / m 2
Density: 0.45 g / cm 3
Standard deviation of thickness: 4.0 μm
Difference between the maximum value and the minimum value of thickness every 10m: 9μm
Spacer thickness T S : 250 μm
Release paper thickness T R (70 μm / sheet × 2 sheets): 140 μm
Base thickness after the compression step T P: 170 [mu] m
Spacer length L S : 1200mm
Spacer width W S: 100mm

Comparative Example 1
A porous carbon substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that no spacer was used in the compression step.

炭素繊維の平均繊維径 :7μm
厚み :0.14mm
目付 :64g/m
密度 :0.45g/cm
厚みの標準偏差 :5.3μm
10m毎の厚みの最大値と最小値の差 :15μm

比較例2
東レ株式会社製ポリアクリロニトリル系炭素繊維“トレカ(登録商標)”T300−6K(平均単繊維径:7μm、単繊維数:6,000本)を12mmの長さにカットし、水を抄造媒体として連続的に抄造し、さらにポリビニルアルコールの10重量%水溶液に浸漬し、乾燥して、炭素繊維の目付が約50g/mの長尺の炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。ポリビニルアルコールの付着量は、炭素繊維紙100重量部に対して20重量部に相当する。
Average fiber diameter of carbon fiber: 7 μm
Thickness: 0.14mm
Per unit weight: 64 g / m 2
Density: 0.45 g / cm 3
Standard deviation of thickness: 5.3 μm
Difference between maximum value and minimum value of thickness every 10m: 15μm

Comparative Example 2
Polyacrylonitrile-based carbon fiber “Torayca (registered trademark)” T300-6K (average single fiber diameter: 7 μm, number of single fibers: 6,000 fibers) manufactured by Toray Industries, Inc. is cut to a length of 12 mm, and water is used as a papermaking medium. The paper was continuously made, further immersed in a 10% by weight aqueous solution of polyvinyl alcohol and dried to obtain a long carbon fiber paper having a carbon fiber basis weight of about 50 g / m 2 and wound into a roll. The adhesion amount of polyvinyl alcohol corresponds to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber paper.

フェノール樹脂とメタノールを1:4の重量比で混合した溶液を用意した。上記炭素繊維紙に、炭素繊維紙100重量部に対してフェノール樹脂が150重量部になるように、上記容液に連続的に含浸し、90℃で3分間乾燥することにより樹脂含浸炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。フェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを1:1の重量比で混合した樹脂を用いた。   A solution in which phenol resin and methanol were mixed at a weight ratio of 1: 4 was prepared. Resin-impregnated carbon fiber paper is obtained by continuously impregnating the above-mentioned liquid into the carbon fiber paper so that the phenol resin is 150 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber paper and drying at 90 ° C. for 3 minutes. And rolled up into a roll. As the phenol resin, a resin in which a resol type phenol resin and a novolac type phenol resin were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used.

上記樹脂含浸炭素繊維紙のロールを裁断し、枚葉の形状に切り出した。枚葉炭素繊維紙を、株式会社カワジリ社製100tプレスに熱板が互いに平行となるようセットし、熱板温度150℃、面圧0.5MPaで、30分間加熱加圧されるよう圧縮処理した。   The roll of the resin-impregnated carbon fiber paper was cut and cut into a sheet shape. The sheet carbon fiber paper was set in a 100 t press manufactured by Kawajiri Co., Ltd. so that the hot plates were parallel to each other, and compressed to be heated and pressurized at a hot plate temperature of 150 ° C. and a surface pressure of 0.5 MPa for 30 minutes. .

圧縮成形した炭素繊維紙を前駆体繊維シートとして、窒素ガス雰囲気に保たれたバッチ式の加熱炉で、最高温度が2,000℃で、約1.4℃/分(800℃までは1℃/分、800℃を超える温度では2℃/分)の昇温速度で焼成した。   In a batch-type heating furnace in which a carbon fiber paper that has been compression-molded is used as a precursor fiber sheet and maintained in a nitrogen gas atmosphere, the maximum temperature is 2,000 ° C. and about 1.4 ° C./min (up to 800 ° C. is 1 ° C. / Min, at a temperature exceeding 800 ° C., it was fired at a temperature rising rate of 2 ° C./min).

炭素繊維の平均繊維径 :7μm
厚み :0.20mm
目付 :85g/m
密度 :0.45g/cm
厚みの標準偏差 :6.1μm

以上の実施例および比較例について、多孔質炭素基材の諸元、製造条件および評価結果のうち主要なものを表1にまとめる。
Average fiber diameter of carbon fiber: 7 μm
Thickness: 0.20mm
Weight per unit: 85 g / m 2
Density: 0.45 g / cm 3
Standard deviation of thickness: 6.1 μm

About the above Examples and Comparative Examples, the main ones of the specifications of the porous carbon substrate, the production conditions, and the evaluation results are summarized in Table 1.

Figure 2006236992
Figure 2006236992

上記実施例1および2の多孔質炭素基材は厚さの標準偏差がそれぞれ3.9μm、4,0μmと小さい。これは、圧縮工程において、熱板状にスペーサーを配置して間欠的に加熱、加圧を行うことにより、厚みを制御しながら面圧で成型するのに十分な時間加圧することにより、前駆体繊維シートを厚みのバラツキを小さく成型できているためである。   The porous carbon substrates of Examples 1 and 2 have small thickness standard deviations of 3.9 μm and 4,0 μm, respectively. This is because in the compression step, a precursor is formed by placing a spacer in the form of a hot plate and intermittently heating and pressurizing, and pressurizing for a sufficient time to form with surface pressure while controlling the thickness. This is because the fiber sheet can be molded with small variations in thickness.

一方、比較例1では、スペーサーを用いていないことから熱板間の厚みを制御しきれず、厚さの標準偏差が大きくなっている。これは、固体高分子型燃料電池のガス拡散体として用いたときに、厚みのバラツキにより固体高分子膜に局所的に圧力がかかり、燃料電池の寿命、性能を低下させることを意味する。   On the other hand, in Comparative Example 1, since the spacer is not used, the thickness between the hot plates cannot be controlled, and the standard deviation of the thickness is large. This means that when used as a gas diffuser of a solid polymer type fuel cell, pressure is locally applied to the solid polymer membrane due to thickness variation, thereby reducing the life and performance of the fuel cell.

比較例2においては、バッチ式の加熱加圧であることから熱板自体の面精度がそのまま、厚みの標準偏差に影響を与え、多孔質炭素基材の厚みの標準偏差が大きくなっている。   In Comparative Example 2, since it is a batch-type heating and pressing, the surface accuracy of the hot plate itself directly affects the standard deviation of the thickness, and the standard deviation of the thickness of the porous carbon substrate is large.

本発明に係る多孔質炭素基材は、固体高分子型燃料電池のガス拡散体の材料として好ましく用いることができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。
The porous carbon substrate according to the present invention can be preferably used as a material for a gas diffuser of a polymer electrolyte fuel cell, but its application range is not limited thereto.

本発明の多孔質炭素基材の厚みの測定方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the measuring method of the thickness of the porous carbon base material of this invention. 本発明の多孔質炭素基材の製造工程における圧縮工程の一態様を示す概略図である。It is the schematic which shows the one aspect | mode of the compression process in the manufacturing process of the porous carbon base material of this invention. 固体高分子型燃料電池の一例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing an example of a polymer electrolyte fuel cell. 固体高分子型燃料電池の一例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing an example of a polymer electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1:多孔質炭素基材
2:厚み測定点
3:前駆体繊維シート
4:ホットプレス
5:上熱板
6:下熱板
7:スペーサー
8:固体高分子電解質膜
9:触媒層
10:ガス拡散層
11:ガス拡散体
12:セパレータ
13:ガス流路
14:ガスケット
1: Porous carbon substrate 2: Thickness measurement point 3: Precursor fiber sheet 4: Hot press 5: Upper heating plate 6: Lower heating plate 7: Spacer 8: Solid polymer electrolyte membrane 9: Catalyst layer 10: Gas diffusion Layer 11: Gas diffuser 12: Separator 13: Gas flow path 14: Gasket

Claims (17)

無作為な方向に分散している炭素短繊維と樹脂炭化物とを含むシートであって、炭素短繊維の少なくとも一部は、該樹脂炭化物で結着されており、かつ、本文で定義する該シートの厚みの標準偏差が1.0〜5.0μmであることを特徴とする多孔質炭素基材。   A sheet comprising carbon short fibers and resin carbide dispersed in a random direction, wherein at least a part of the carbon short fibers are bound with the resin carbide, and the sheet is defined in the text. A standard deviation of the thickness of the porous carbon substrate is 1.0 to 5.0 μm. 該多孔質炭素基材が、厚みが0.10〜0.25mmの範囲で、密度が0.3〜0.7g/cmの範囲にあるものである請求項1に記載の多孔質炭素基材。 The porous carbon group according to claim 1, wherein the porous carbon substrate has a thickness in the range of 0.10 to 0.25 mm and a density in the range of 0.3 to 0.7 g / cm 3. Wood. 該多孔質炭素基材が、長さが50〜500mで、幅が100〜1000mmの範囲にあり、ロール状に巻き取られたものである請求項2に記載の多孔質炭素基材。   The porous carbon substrate according to claim 2, wherein the porous carbon substrate has a length of 50 to 500 m and a width of 100 to 1000 mm, and is wound in a roll shape. 該多孔質炭素基材が、長さ方向に10mおきに20点ずつサンプリングしたときの厚みの平均値の最大値と最小値の差が15μm以下であるものである請求項3に記載の多孔質炭素基材。   The porous carbon material according to claim 3, wherein the porous carbon substrate has a difference between a maximum value and a minimum value of an average value of 15 μm or less when 20 points are sampled every 10 m in the length direction. Carbon base material. 該多孔質炭素基材を構成する炭素短繊維が、平均繊維径が5〜20μmの範囲にあるものである請求項1〜4のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   The porous carbon substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the short carbon fibers constituting the porous carbon substrate have an average fiber diameter in the range of 5 to 20 µm. 該多孔質炭素基材が、炭素質粉末を含んで構成されているものである請求項1〜5のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   The porous carbon substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous carbon substrate includes a carbonaceous powder. 該多孔質炭素基材が、その厚みの標準偏差が1.0〜4.0μmの範囲にあるシートである請求項1〜6のいずれかに記載の多孔質炭素基材。   The porous carbon base material according to any one of claims 1 to 6, wherein the porous carbon base material is a sheet having a standard deviation in thickness within a range of 1.0 to 4.0 µm. 請求項1〜7のいずれかに記載の多孔質炭素基材に撥水性物質を付与せしめて構成されていることを特徴とするガス拡散体。   A gas diffuser comprising a porous carbon substrate according to any one of claims 1 to 7 and a water-repellent substance added thereto. 請求項1〜7のいずれかに記載の多孔質炭素基材の少なくとも片面に導電性を有するガス拡散層が配置されているガス拡散体。   The gas diffusion body by which the gas diffusion layer which has electroconductivity is arrange | positioned at least on one side of the porous carbon base material in any one of Claims 1-7. 請求項1〜7のいずれかに記載の多孔質炭素基材に撥水性物質を付与せしめ、かつ、その、少なくともその片面に導電性を有するガス拡散層が配置されているガス拡散体。   A gas diffuser in which a water-repellent substance is imparted to the porous carbon substrate according to claim 1 and a conductive gas diffusion layer is disposed on at least one surface thereof. 固体高分子電解質膜とその両表面に設けた触媒担持炭素を含む触媒層と両触媒層の外側に接して設けたガス拡散体を含む膜−電極接合体において、該ガス拡散体の少なくとも一方を、請求項8〜10のいずれかに記載のガス拡散体で構成したことを特徴とする膜−電極接合体。   In a membrane-electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer containing catalyst-supporting carbon provided on both surfaces thereof, and a gas diffuser provided in contact with the outside of both catalyst layers, at least one of the gas diffusers is A membrane-electrode assembly comprising the gas diffuser according to any one of claims 8 to 10. 請求項11に記載の膜−電極接合体で構成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 11. 互いに平行に位置する熱板間に炭素短繊維と樹脂を含む前駆体繊維シートを間欠的に搬送し、搬送が停止している間に熱板で加熱加圧処理する圧縮工程と、圧縮処理された前駆体繊維シート中の樹脂を炭化処理する炭化工程とを含む多孔質炭素基材の製造方法であって、圧縮工程では、下側の熱板上に2枚以上のスペーサーを搬送する前駆体繊維シートの横に配置し、そのスペーサーの間に前駆体繊維シートを搬送することを特徴とする多孔質炭素基材の製造方法。   A compression process in which a precursor fiber sheet containing carbon short fibers and a resin is intermittently conveyed between hot plates positioned in parallel with each other, and heated and pressurized with the hot plate while the conveyance is stopped; And a carbonizing process for carbonizing a resin in the precursor fiber sheet, wherein the precursor transports two or more spacers on the lower hot plate in the compression process. A method for producing a porous carbon substrate, which is arranged beside a fiber sheet and transports a precursor fiber sheet between the spacers. 前駆体繊維シートを挟むように離型シートを配置し、前駆体シートと共に搬送して、加熱加圧する請求項13に記載の多孔質炭素基材の製造方法。   The manufacturing method of the porous carbon base material of Claim 13 which arrange | positions a release sheet so that a precursor fiber sheet may be pinched | interposed, conveys with a precursor sheet | seat, and heat-presses. 離型シートの厚みをT、圧縮工程により圧縮された前駆体繊維シートの厚みをTとするとき、スペーサーの厚みTが、下記式を満たす請求項13に記載の多孔質炭素基材の製造方法。
<T+T
The thickness of the release sheet T R, when the precursor fiber sheet thickness compressed by the compression process and T P, the thickness T S of the spacer is porous carbon substrate of claim 13 which satisfies the following equation Manufacturing method.
T S <T R + T P
互いに平行な熱板の搬送方向の有効加圧長をL、間欠的に搬送する際の前駆体繊維シートの送り量をLとするとき、L/Lが0.1〜0.98である請求項13〜15のいずれかに記載の多孔質炭素基材の製造方法。 When the conveyance direction of the effective pressure圧長L P of mutually parallel heat plate, the precursor feed rate of the fiber sheet when intermittently transported L F, L F / L P is 0.1 to 0. It is 98, The manufacturing method of the porous carbon base material in any one of Claims 13-15. 互いに平行な熱板の温度が140〜300℃、加圧力が0.1〜4.0MPaである請求項13〜16のいずれかに記載の多孔質炭素基材の製造方法。   The method for producing a porous carbon substrate according to any one of claims 13 to 16, wherein the temperature of the hot plates parallel to each other is 140 to 300 ° C and the applied pressure is 0.1 to 4.0 MPa.
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JP2013004214A (en) * 2011-06-14 2013-01-07 Toray Ind Inc Method for producing gas diffusion electrode base material
JP2014127310A (en) * 2012-12-26 2014-07-07 Mitsubishi Rayon Co Ltd Method for producing porous electrode base material precursor sheet, and porous electrode base material precursor sheet

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