JP2013020842A - Porous electrode substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous electrode substrate in which a short circuit current and cross leak of a reactant gas hardly occur when used in a fuel cell.SOLUTION: The porous electrode is made by binding carbon short fibers with net-like carbon fibers and/or a resin carbide, where a bulk density of a range from a surface of the porous electrode substrate to 30 μm of the thickness on at least one face thereof is 0.30 g/cmor more. A short circuit current density of the porous electrode substrate is 0.1 mA/cmor less.

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる多孔質電極基材に関する。   The present invention relates to a porous electrode substrate used for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池のガス拡散層には、炭素繊維ペーパー、炭素繊維クロス、炭素繊維フェルト等の炭素繊維および炭化物を用いた多孔質電極基材が一般的に用いられる。これらの多孔質電極基材は炭素短繊維および炭化物によって高い導電性を示すだけでなく、多孔質材料であるため、燃料ガスおよび生成水などの液体の透過性が高いためガス拡散層に好適な材料である。   A porous electrode substrate using carbon fibers and carbides such as carbon fiber paper, carbon fiber cloth, and carbon fiber felt is generally used for the gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell. These porous electrode base materials are not only highly conductive due to short carbon fibers and carbides, but are porous materials, so they are suitable for gas diffusion layers because of high permeability of liquids such as fuel gas and generated water. Material.

しかしながら、ガス拡散層として用いられる多孔質電極基材は、燃料電池を製造する際のガス拡散層と電解質膜の接合工程やスタックの締結工程において生じる摩擦や圧縮などにより炭素繊維の毛羽立ちや炭素短繊維や炭素短繊維を結着する炭化物の脱落・折損が生じるおそれがある。これらの脱落・折損した炭素短繊維や炭化物は電解質膜に比べ剛直であるため、電解質膜に突き刺さることがある。電解質膜に突き刺さることにより、アノード極とカソード極との間に短絡電流が発生するといった不具合、アノード極側の水素ガス及び/又はカソード極側の酸素ガスがクロスリークするといった不具合を生じ、燃料電池の起電力や耐久性が著しく損なわれる傾向にあった。   However, the porous electrode base material used as the gas diffusion layer is made of carbon fiber fluff or carbon short due to friction or compression generated in the gas diffusion layer and electrolyte membrane joining process or stack fastening process in manufacturing a fuel cell. There is a risk that the carbide binding the fibers and short carbon fibers may fall off or break. Since these dropped and broken carbon short fibers and carbides are more rigid than the electrolyte membrane, they may pierce the electrolyte membrane. By piercing the electrolyte membrane, a short circuit current is generated between the anode electrode and the cathode electrode, and the hydrogen gas on the anode electrode side and / or the oxygen gas on the cathode electrode side cause a cross leak, resulting in a fuel cell. There was a tendency for the electromotive force and durability of the steel to be significantly impaired.

電解質膜への炭素短繊維および炭素材料の突き刺さりによるダメージを低減する方法として、例えば特許文献1には電解質膜や触媒層との接合工程やスタック締結工程においてガス拡散層に掛かる面圧を、あらかじめガス拡散層に付与し、生じる結着の弱い炭素短繊維および炭化物の脱落や破損したものをあらかじめ取り除く方法が開示されている。また、特許文献2にはガス拡散層に気体を吹きつけ同時に吸引することで、ガス拡散層製造時において結着の弱い炭素短繊維を取り除く方法が開示されている。さらに、特許文献3においては、ガス拡散層に超音波処理を施すことによって、結着の弱い炭素短繊維を取り除く方法が開示されている。   As a method for reducing the damage caused by the stab of short carbon fibers and carbon material on the electrolyte membrane, for example, Patent Document 1 discloses in advance the contact pressure applied to the gas diffusion layer in the joining step with the electrolyte membrane and the catalyst layer and the stack fastening step. A method is disclosed in which carbon short fibers and carbides, which are applied to the gas diffusion layer and weakly bonded, are removed in advance and removed. Patent Document 2 discloses a method of removing short carbon fibers having a weak binding during the production of a gas diffusion layer by blowing and simultaneously sucking gas into the gas diffusion layer. Furthermore, Patent Document 3 discloses a method of removing short carbon fibers having weak binding by applying ultrasonic treatment to a gas diffusion layer.

特開2009−190951号公報JP 2009-190951 A 特開2010−70433号公報JP 2010-70433 A 特開2010−61964号公報JP 2010-61964 A

しかしながら、特許文献1に記載の方法ではプレスにより後工程で生じる炭素粉を予め除去することはできるが、プレス時に付与する圧力やプレス後の除去処理が不十分であるため、発生した炭素粉が十分に除去されておらず、燃料電池に用いた際に短絡電流が生じてしまう恐れがあった。   However, in the method described in Patent Document 1, it is possible to remove in advance the carbon powder generated in the subsequent process by pressing. However, since the pressure applied during pressing and the removal treatment after pressing are insufficient, the generated carbon powder is If it is not sufficiently removed, a short-circuit current may occur when used in a fuel cell.

特許文献2に記載の方法では、ガス拡散層の表面はある程度清浄にできるが、電解質膜との接合工程など、ガス拡散層が圧縮された際には新たに炭素粉が発生してしまい、それらが電解質膜に突き刺さってしまって大きな短絡電流が発生してしまうという問題があった。   In the method described in Patent Document 2, the surface of the gas diffusion layer can be cleaned to some extent, but carbon powder is newly generated when the gas diffusion layer is compressed, such as a bonding step with the electrolyte membrane, However, there is a problem in that a large short-circuit current is generated by being stuck into the electrolyte membrane.

また、特許文献3に記載の方法を用いても、同様に後工程の圧縮により炭素粉が発生してしまうという問題があった。
本発明は、前記のような問題点を克服し、燃料電池に用いた際に短絡電流や反応ガスのクロスリークが生じにくい多孔質電極基材を提供することを目的とする。
Moreover, even if it used the method of patent document 3, there existed a problem that carbon powder will generate | occur | produce similarly by compression of a post process.
An object of the present invention is to overcome the above-described problems and to provide a porous electrode base material that is less likely to cause short-circuit current and cross-leakage of reaction gas when used in a fuel cell.

前記課題は以下の発明〔1〕〜〔2〕によって解決される。   The above problems are solved by the following inventions [1] to [2].

〔1〕炭素短繊維を網目状炭素繊維及び/又は樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材であって、前記多孔質電極基材の少なくとも片方の面において、表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上である多孔質電極基材。 [1] A porous electrode base material in which short carbon fibers are bound with reticulated carbon fibers and / or resin carbides, and the bulk from the surface to a thickness of 30 μm on at least one surface of the porous electrode base material. A porous electrode substrate having a density of 0.30 g / cm 3 or more.

〔2〕以下の実験条件にて測定した短絡電流密度が0.1mA/cm以下である多孔質電極基材。
<実験条件>
(1)パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(ナフィオンNR211:デュポン(株):膜厚:25μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を、カソード用、アノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合して燃料電池用膜−電極接合体(MEA)MEAを得る。
[2] A porous electrode substrate having a short-circuit current density of 0.1 mA / cm 2 or less measured under the following experimental conditions.
<Experimental conditions>
(1) A catalyst layer comprising catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50% by mass) on both sides of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (Nafion NR211: DuPont Co., Ltd .: film thickness: 25 μm) A laminate formed with (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) is sandwiched between porous electrode base materials for cathode and anode, and these are joined to form a membrane for a fuel cell -Obtaining an electrode assembly (MEA) MEA;

(2)前記MEAを、JARI標準セル付属の蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、面圧が1.0MPaとなるように締結し、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成する。   (2) The MEA is sandwiched between two carbon separators having a bellows-like gas flow path attached to a JARI standard cell and fastened so that the surface pressure becomes 1.0 MPa. A solid polymer fuel cell (single cell) ).

(3)得られた単セルの両極に端子を接続し、デジタルマルチメーターTR6487(アドバンテスト社製)を使用して電極間の電位差は1.0Vとし、短絡電流密度を測定する。
(ナフィオンは、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニーの登録商標)
(3) Terminals are connected to both electrodes of the obtained single cell, and the potential difference between the electrodes is set to 1.0 V using a digital multimeter TR6487 (manufactured by Advantest), and the short-circuit current density is measured.
(Nafion is a registered trademark of EI DuPont de Nemours and Company)

燃料電池に用いた際に短絡電流や反応ガスのクロスリークが生じにくい樹脂炭化物が十分に少ない多孔質電極基材を得ることができる。   When used in a fuel cell, it is possible to obtain a porous electrode base material having a sufficiently small amount of resin carbide that is less likely to cause short-circuit current and reactive gas cross-leakage.

以下、本発明について詳細に示す。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<多孔質電極基材>
本発明の多孔質電極基材は、構造体中に分散された炭素短繊維(A)が、網目状炭素繊維(B)によって接合された構造体、または構造体中に分散された炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されかつ、樹脂炭化物(C)によって炭素短繊維(A)間および炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とが結着された構造体、または炭素短繊維(A)が樹脂炭化物(C)によって結着された構造体からなる。
<Porous electrode substrate>
The porous electrode substrate of the present invention is a structure in which short carbon fibers (A) dispersed in a structure are joined by network carbon fibers (B), or short carbon fibers dispersed in the structure. (A) are joined together by reticulated carbon fibers (B), and between carbon short fibers (A) and between carbon short fibers (A) and reticulated carbon fibers (B) are bonded by resin carbide (C). It consists of an attached structure or a structure in which short carbon fibers (A) are bound by resin carbide (C).

多孔質電極基材は、シート状、渦巻き状等の形状をとることができる。シート状にした場合、多孔質電極基材の目付けは15〜100g/m程度が好ましく、空隙率は50〜90%程度が好ましく、厚みは20μm以上400μm以下であることが好ましく、より好ましくは50μm以上、300μm以下である。 The porous electrode substrate can take a sheet shape, a spiral shape, or the like. When formed into a sheet, the basis weight of the porous electrode substrate is preferably about 15 to 100 g / m 2 , the porosity is preferably about 50 to 90%, and the thickness is preferably 20 μm to 400 μm, more preferably 50 μm or more and 300 μm or less.

多孔質電極基材のガス透気度は500〜30000ml/hr/cm/mmAqであることが好ましい。また、多孔質電極基材の厚さ方向の電気抵抗(貫通方向抵抗)は、50mΩ・cm以下であることが好ましい。なお、多孔質電極基材のガス透気度および貫通方向抵抗の測定方法は、後述する。 The gas air permeability of the porous electrode substrate is preferably 500 to 30000 ml / hr / cm 2 / mmAq. Moreover, it is preferable that the electrical resistance (penetration direction resistance) of the thickness direction of a porous electrode base material is 50 m (ohm) * cm < 2 > or less. In addition, the measuring method of the gas permeability of a porous electrode base material and penetration direction resistance is mentioned later.

<炭素短繊維(A)>
炭素短繊維としては、その原料によらず用いることができるが、ポリアクリロニトリル(以後PANと略す。)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維から選ばれる1つ以上の炭素繊維を含むことが好ましく、PAN系炭素繊維あるいはピッチ系炭素繊維を含むことがより好ましい。炭素短繊維の平均直径は、3〜30μm程度が好ましく、4〜20μmがより好ましく、4〜12μmがさらに好ましい。この範囲内であると多孔質電極基材としての表面平滑性と導電性がよい。
<Short carbon fiber (A)>
The short carbon fiber can be used regardless of the raw material, but one or more selected from polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN) carbon fiber, pitch carbon fiber, rayon carbon fiber, and phenolic carbon fiber. It is preferable that the carbon fiber is included, and it is more preferable that the PAN-based carbon fiber or the pitch-based carbon fiber is included. The average diameter of the short carbon fibers is preferably about 3 to 30 μm, more preferably 4 to 20 μm, and still more preferably 4 to 12 μm. Within this range, the surface smoothness and conductivity as a porous electrode substrate are good.

炭素短繊維の平均長は、2〜12mm程度であることが好ましい。この範囲内であるとシート化時の分散性と多孔質電極基材としての機械的強度が高くなる。   The average length of the short carbon fibers is preferably about 2 to 12 mm. Within this range, the dispersibility during sheet formation and the mechanical strength as a porous electrode substrate are increased.

ポリアクリロニトリル系炭素繊維は、原料として、アクリロニトリルを主成分とするポリマーを用いて製造されるものである。具体的には、PAN系繊維を紡糸する製糸工程、200〜400℃の空気雰囲気中で該繊維を加熱焼成して酸化繊維に転換する耐炎化工程、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性雰囲気中でさらに300〜2500℃に加熱して炭化する炭化工程を経て得ることのできる炭素繊維で、複合材料強化繊維として好適に使用される。そのため、他の炭素繊維に比べて強度が強く、機械的強度の強い炭素シートを形成することができる。   The polyacrylonitrile-based carbon fiber is manufactured using a polymer mainly composed of acrylonitrile as a raw material. Specifically, a spinning process for spinning PAN-based fibers, a flameproofing process in which the fibers are heated and fired in an air atmosphere at 200 to 400 ° C. to convert them into oxidized fibers, and in an inert atmosphere such as nitrogen, argon, and helium In addition, the carbon fiber can be obtained through a carbonization step of carbonizing by heating to 300 to 2500 ° C., and is suitably used as a composite material reinforcing fiber. Therefore, it is possible to form a carbon sheet having a higher strength and a higher mechanical strength than other carbon fibers.

<網目状炭素繊維(B)>
網目状炭素繊維は、炭素短繊維(A)同士を接合する繊維で、接合部において屈曲状または湾曲状になっている状態で存在し、それぞれが網目構造を形成しており、前駆体繊維(b)を加熱によって炭素化して得られる網目状炭素繊維を用いることができる。
<Reticulated carbon fiber (B)>
Reticulated carbon fiber is a fiber that joins short carbon fibers (A) to each other and exists in a bent or curved state at the joint, each forming a network structure, and precursor fibers ( Reticulated carbon fibers obtained by carbonizing b) by heating can be used.

多孔質電極基材における網目状炭素繊維(B)の含有率は、10〜90質量%であることが好ましい。多孔質電極基材の導電性と機械的強度を十分なものに保つため、網目状炭素繊維(B)の含有率は、15〜80質量%であることがより好ましい。   The content of the reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate is preferably 10 to 90% by mass. In order to maintain sufficient electrical conductivity and mechanical strength of the porous electrode substrate, the content of the reticulated carbon fiber (B) is more preferably 15 to 80% by mass.

<前駆体繊維(b)>
前駆体繊維(b)としては、炭素繊維前駆体短繊維(b1)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)の一方、もしくは両方を用いることができる。
<Precursor fiber (b)>
As the precursor fiber (b), one or both of the carbon fiber precursor short fiber (b1) and the fibrillar carbon precursor fiber (b2) can be used.

<炭素繊維前駆体短繊維(b1)>
炭素繊維前駆体短繊維(b1)は、後述するポリマー(例えば、アクリル系ポリマー)を用いて作製した長繊維状の炭素繊維前駆体繊維を適当な長さにカットしたものであることができる。炭素繊維前駆体短繊維(b1)の平均繊維長は、分散性の点から、2mm以上20mm以下が好ましい。なお、平均繊維長は、光学顕微鏡および電子顕微鏡により測定することができる。炭素繊維前駆体短繊維(b1)の断面形状は特に限定されないが、炭素化した後の機械的強度、製造コストの面から、真円度の高いものが好ましい。また、炭素繊維前駆体短繊維(b1)の平均直径は、炭素化時の収縮による破断を抑制する観点から、5μm以下であることが好ましい。なお、平均繊維径(直径)は、光学顕微鏡および電子顕微鏡により測定することができる。
<Carbon fiber precursor short fiber (b1)>
The carbon fiber precursor short fiber (b1) can be obtained by cutting a long fiber-like carbon fiber precursor fiber produced using a polymer (for example, an acrylic polymer) described later into an appropriate length. The average fiber length of the carbon fiber precursor short fibers (b1) is preferably 2 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of dispersibility. The average fiber length can be measured with an optical microscope and an electron microscope. Although the cross-sectional shape of the carbon fiber precursor short fiber (b1) is not particularly limited, a high roundness is preferable from the viewpoint of mechanical strength after carbonization and production cost. In addition, the average diameter of the carbon fiber precursor short fibers (b1) is preferably 5 μm or less from the viewpoint of suppressing breakage due to shrinkage during carbonization. The average fiber diameter (diameter) can be measured with an optical microscope and an electron microscope.

炭素繊維前駆体短繊維(b1)は、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であるポリマーを用いることが好ましい。このようなポリマーとしては、例えば、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げることができる。紡糸性および低温から高温にかけて炭素短繊維(A)同士を接合させることができ、炭素化時の残存質量が大きい点、さらに、後述する交絡処理を行う際の繊維弾性、繊維強度を考慮すると、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。   As the carbon fiber precursor short fiber (b1), it is preferable to use a polymer having a remaining mass of 20% by mass or more in the step of carbonization treatment. Examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers. When considering the spinnability and the short carbon fibers (A) from low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization is large, and the fiber elasticity and fiber strength when performing the entanglement treatment described below, It is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile units.

炭素繊維前駆体短繊維(b1)は、1種類であってもよく、繊維直径、ポリマー種が異なる複数種類であってもよい。これらの炭素繊維前駆体短繊維(b1)や後述するフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)の種類や炭素短繊維(A)との混合比、200℃以上300℃以下での酸化処理の有無によって、最終的に得られる多孔質電極基材中に網目状炭素繊維(B)として残る割合を調整することができる。   The carbon fiber precursor short fibers (b1) may be one type, or a plurality of types having different fiber diameters and polymer types. Depending on the type of these carbon fiber precursor short fibers (b1) and the fibrillar carbon precursor fibers (b2) to be described later, the mixing ratio with the carbon short fibers (A), and the presence or absence of oxidation treatment at 200 ° C. or more and 300 ° C. or less The proportion of the carbon fiber (B) remaining in the finally obtained porous electrode substrate can be adjusted.

<炭素繊維前駆体短繊維(b1)に用いるアクリル系ポリマー>
アクリル系ポリマーとしては、アクリロニトリルの単独重合体であっても、アクリロニトリルとその他のモノマーとの共重合体であってもよい。アクリロニトリルと共重合されるモノマーとしては、一般的なアクリル系繊維を構成する不飽和モノマーであれば特に限定されないが、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸2−ヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキシプロピルなどに代表されるアクリル酸エステル類;メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸n−ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸ヒドロキシプロピル、メタクリル酸ジエチルアミノエチルなどに代表されるメタクリル酸エステル類;アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデンなどが挙げられる。
<Acrylic polymer used for carbon fiber precursor short fiber (b1)>
The acrylic polymer may be a homopolymer of acrylonitrile or a copolymer of acrylonitrile and other monomers. The monomer copolymerized with acrylonitrile is not particularly limited as long as it is an unsaturated monomer constituting a general acrylic fiber. For example, methyl acrylate, ethyl acrylate, isopropyl acrylate, n-butyl acrylate, Acrylic esters represented by 2-ethylhexyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, etc .; methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, methacrylic acid Typical examples include t-butyl acid, n-hexyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, lauryl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate and the like. Methacrylic acid esters; acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, itaconic acid, acrylamide, N-methylol acrylamide, diacetone acrylamide, styrene, vinyl toluene, vinyl acetate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinylidene bromide, vinyl fluoride, And vinylidene fluoride.

アクリル系ポリマーの重量平均分子量は、特に限定されないが、5万以上100万以下であることが好ましい。アクリル系ポリマーの重量平均分子量が5万以上であることで、紡糸性が向上すると同時に、繊維の糸質が良好になる傾向にある。アクリル系ポリマーの重量平均分子量が100万以下であることで、紡糸原液の最適粘度を与えるポリマー濃度が高くなり、生産性が向上する傾向にある。   The weight average molecular weight of the acrylic polymer is not particularly limited, but is preferably from 50,000 to 1,000,000. When the weight average molecular weight of the acrylic polymer is 50,000 or more, the spinnability is improved and the yarn quality of the fiber tends to be good. When the weight average molecular weight of the acrylic polymer is 1,000,000 or less, the polymer concentration that gives the optimum viscosity of the spinning dope increases, and the productivity tends to improve.

<フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)>
フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)としては、例えば以下のものを用いることができる。直径100μm以下の繊維状の幹より、直径が数μm以下(例えば0.1〜3μm)のフィブリルが多数分岐した構造を有する炭素前駆体繊維(b2−1)や、叩解によってフィブリル化した炭素前駆体短繊維(b2−2)を用いることができる。なお、以下、この2つのフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)をそれぞれ、繊維(b2−1)および繊維(b2−2)と称することがある。
<Fibrous carbon precursor fiber (b2)>
As the fibrillar carbon precursor fiber (b2), for example, the following can be used. Carbon precursor fiber (b2-1) having a structure in which a large number of fibrils having a diameter of several μm or less (for example, 0.1 to 3 μm) are branched from a fibrous trunk having a diameter of 100 μm or less, or a carbon precursor fibrillated by beating Short body fibers (b2-2) can be used. Hereinafter, the two fibrillar carbon precursor fibers (b2) may be referred to as fibers (b2-1) and fibers (b2-2), respectively.

これらのフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)を用いることにより、前駆体シート中で炭素短繊維(A)とフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)が良く絡み合い、ハンドリング性と機械的強度の優れた前駆体シートを得ることが容易となる。フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)の濾水度は特に限定されないが、一般的に濾水度が小さいフィブリル状繊維を用いると前駆体シートの機械的強度が向上するが、多孔質電極基材のガス透気度が低下する傾向がある。   By using these fibrillar carbon precursor fibers (b2), the short carbon fibers (A) and the fibrillar carbon precursor fibers (b2) are entangled well in the precursor sheet, and handling properties and mechanical strength are excellent. It becomes easy to obtain a precursor sheet. Although the freeness of the fibrillar carbon precursor fiber (b2) is not particularly limited, the use of fibrillar fibers having a low freeness generally improves the mechanical strength of the precursor sheet. There is a tendency that the gas permeability of gas decreases.

フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)としては、繊維(b2−1)1種類、または繊維(b2−2)を1種類使用してもよく、また濾水度、繊維直径、ポリマー種等が異なるこれら繊維を複数種類併用してもよい。   As the fibrillar carbon precursor fiber (b2), one type of fiber (b2-1) or one type of fiber (b2-2) may be used, and the freeness, fiber diameter, polymer type, etc. are different. A plurality of these fibers may be used in combination.

以下に、この2つのフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)について詳しく説明する。   Hereinafter, the two fibrillar carbon precursor fibers (b2) will be described in detail.

<繊維(b2−1)>
繊維(b2−1)に用いられるポリマーは、炭素化処理工程における残存質量が20質量%以上であることが好ましい。このようなポリマーとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーを挙げることができる。紡糸性および低温から高温にかけて炭素短繊維(A)同士を接合させることができ、炭素化時の残存質量が大きい点、さらに、炭素短繊維(A)との交絡、シート強度を考慮すると、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。アクリル系ポリマーとしては炭素繊維前駆体短繊維(b1)と同様のものを用いることができる。
<Fiber (b2-1)>
The polymer used for the fiber (b2-1) preferably has a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization treatment step. Examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers. Considering the spinnability, the short carbon fibers (A) can be bonded to each other from low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization is large, and the entanglement with the short carbon fibers (A) and the sheet strength are taken into consideration. It is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of units. As the acrylic polymer, the same polymer as the carbon fiber precursor short fiber (b1) can be used.

繊維(b2−1)の製造方法は特に限定されないが、濾水度のコントロールが容易な噴射凝固法を用いて製造することが好ましい。噴射凝固法による繊維(b2−1)は例えば以下の方法で製造できる。   Although the manufacturing method of a fiber (b2-1) is not specifically limited, It is preferable to manufacture using the injection coagulation method with easy control of drainage. The fiber (b2-1) by the jet coagulation method can be manufactured by the following method, for example.

まず、アクリロニトリル系共重合体を溶媒に溶解させて紡糸原液を調製する。この溶媒としては、例えば、ジメチルアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどを用いることができる。ついで、この紡糸原液を紡糸吐出口に通して混合セル内に吐出すると同時に、水蒸気を紡糸原液の吐出線方向に対して0度以上、90度未満の角度で混合セル内に噴出し、混合セル内でこのアクリロニトリル系共重合体を剪断流速の下で凝固させる。形成された凝固体を前記溶媒と水蒸気と共に混合セルから凝固液中に排出することで繊維(b2−1)が得られる。凝固液としては水または、水と前記溶媒との混合液を用いることができる。   First, a spinning stock solution is prepared by dissolving an acrylonitrile-based copolymer in a solvent. As this solvent, for example, dimethylamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide and the like can be used. Then, the spinning solution is passed through the spinning outlet and discharged into the mixing cell. At the same time, water vapor is ejected into the mixing cell at an angle of 0 degree or more and less than 90 degrees with respect to the discharging line direction of the spinning solution. The acrylonitrile copolymer is solidified under a shear flow rate. A fiber (b2-1) is obtained by discharging the formed solidified body together with the solvent and water vapor from the mixing cell into the solidified liquid. As the coagulation liquid, water or a mixed liquid of water and the solvent can be used.

このようにして得られた繊維(b2−1)は、繊維径の細い繊維が集合したフィブリル部と水蒸気にあまり触れることなく凝固した繊維径の太い芯部(幹)を有している。繊維(b2−1)のフィブリル部は炭素短繊維Aや繊維(b2−1)のフィブリル部同士との絡みを良好とし、繊維(b2−1)の芯部はバインダーとしての強度を発現することができる。   The fiber (b2-1) thus obtained has a fibril part in which fibers having a small fiber diameter gather and a core part (stem) having a thick fiber diameter solidified without much contact with water vapor. The fibril part of the fiber (b2-1) has good entanglement with the short fiber A and the fibril part of the fiber (b2-1), and the core part of the fiber (b2-1) expresses the strength as a binder. Can do.

繊維(b2−1)のフィブリル部の繊維径は混合する炭素短繊維との絡みを良好にするため、2μm以下が好ましい。   The fiber diameter of the fibril part of the fiber (b2-1) is preferably 2 μm or less in order to improve the entanglement with the short carbon fiber to be mixed.

芯部は、多孔質電極基材の均質化の観点から直径100μm以下であることが好ましい。直径を100μm以下とすることにより、繊維(b2−1)が偏在することを容易に抑制でき、比較的少量の繊維(b2−1)によって容易に炭素短繊維Aを結着することができる。また、強度を発現する観点から、芯部の直径は10μm以上であることが好ましい。   The core part preferably has a diameter of 100 μm or less from the viewpoint of homogenization of the porous electrode substrate. By setting the diameter to 100 μm or less, the uneven distribution of the fibers (b2-1) can be easily suppressed, and the short carbon fibers A can be easily bound by a relatively small amount of fibers (b2-1). Moreover, it is preferable that the diameter of a core part is 10 micrometers or more from a viewpoint of expressing intensity | strength.

繊維(b2−1)が炭素短繊維Aに絡む機能の観点から、一つの芯部に対して繊維(b2−1)のフィブリル部が複数存在することが好ましく、一つの芯部に対してフィブリル部が多いほど好ましいと考えられる。   From the viewpoint of the function that the fiber (b2-1) is entangled with the short carbon fiber A, it is preferable that a plurality of fibril parts of the fiber (b2-1) exist for one core part, and the fibrils for one core part. It is considered that the more parts, the better.

一本の繊維(b2−1)において、芯部の太さは、一定であるか、あるいは無段階に変化するものが好ましい。このような繊維(b2−1)を用いることにより、芯部の太さの段階的な変化により段差の部分が弱くなることを容易に防ぐことができ、強度が低下することを容易に防ぐことができる。なお、上記方法で繊維(b2−1)を製造した場合、水蒸気がランダムに飛び散ることにより芯部の太さを一定に保つことが困難な場合があり、芯部の太さが変化することがある。しかし、芯部の太さの段階的な変化は、噴射する水蒸気が冷えて液滴状になった場合に見られる傾向があるため、水蒸気の噴出圧および温度を高くするなどの方法で芯部の太さが段階的に変化することを容易に防止することができる。   In one fiber (b2-1), it is preferable that the thickness of the core part is constant or changes steplessly. By using such a fiber (b2-1), it is possible to easily prevent the stepped portion from being weakened by a stepwise change in the thickness of the core portion, and to easily prevent the strength from being lowered. Can do. In addition, when manufacturing a fiber (b2-1) by the said method, it may be difficult to keep the thickness of a core part constant by water vapor | steam scattering randomly, and the thickness of a core part may change. is there. However, since a gradual change in the thickness of the core portion tends to be seen when the water vapor to be sprayed cools into droplets, the core portion can be obtained by increasing the water vapor ejection pressure and temperature. Can be easily prevented from changing in steps.

<繊維(b2−2)>
繊維(b2−2)は、長繊維状の易割繊性海島複合繊維を適当な長さにカットしたものを、リファイナーやパルパーなどによって叩解しフィブリル化したものであることができる。長繊維状の易割繊性海島複合繊維は、共通の溶剤に溶解し、かつ非相溶性である2種類以上の異種ポリマーを用いて製造することができ、少なくとも1種類のポリマーが、炭素化処理工程における残存質量20質量%以上であることが好ましい。易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうち、炭素化処理工程における残存質量が20質量%以上であるものとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げられる。中でも、紡糸性および炭素化処理工程における残存質量の観点から、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。
<Fiber (b2-2)>
The fiber (b2-2) can be obtained by beating a long-fiber easily split sea-island composite fiber into an appropriate length and beating it with a refiner, a pulper, or the like. Long-fiber easy split sea-island composite fibers can be manufactured using two or more different types of polymers that are soluble in a common solvent and incompatible, and at least one type of polymer is carbonized. The residual mass in the treatment step is preferably 20% by mass or more. Among the polymers used for the easily splittable sea-island composite fibers, those having a residual mass in the carbonization treatment step of 20% by mass or more include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers. Among them, it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of an acrylonitrile unit from the viewpoint of spinnability and the remaining mass in the carbonization treatment step.

アクリル系ポリマーとしては炭素繊維前駆体短繊維(b1)と同様のものを用いることができる。   As the acrylic polymer, the same polymer as the carbon fiber precursor short fiber (b1) can be used.

易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうちの1種類に、炭素化処理工程における残存質量が20質量%以上であるポリマーとして、上述するアクリル系ポリマーを用いた場合、他のポリマーとしては、そのアクリル系ポリマーと共通の溶剤に溶解し、両ポリマーを溶解した紡糸原液が安定に存在することが望まれる。すなわち、他のポリマーは、アクリル系ポリマーと共通の溶剤に溶解した場合に、アクリル系ポリマーに対して非相溶であり、紡糸の際に海島構造を形成できる程度の混和性を有することが望まれる。これにより、紡糸原液とした際に、2種のポリマーの非相溶性の度合いが大きい場合に生じる繊維の不均質性を容易に防ぐとともに、紡糸時における糸切れを容易に防ぐことができ、さらに、繊維賦形を容易にすることができる。また、他のポリマーは水に難溶性であることが望まれ、これにより湿式紡糸する場合に、凝固槽、および洗浄槽において他のポリマーが水に溶解して脱落が起こることを容易に防ぐことができる。   When one of the polymers used for the easily splittable sea-island composite fiber is a polymer having a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization treatment step, the above-mentioned acrylic polymer is used as the other polymer. It is desirable that a spinning dope that dissolves in the same solvent as the acrylic polymer and dissolves both polymers stably exists. That is, it is desirable that the other polymer is incompatible with the acrylic polymer when dissolved in the same solvent as the acrylic polymer, and has a miscibility enough to form a sea-island structure during spinning. It is. This makes it possible to easily prevent inhomogeneity of the fiber that occurs when the degree of incompatibility of the two polymers is large when used as a spinning stock solution, and to easily prevent yarn breakage during spinning. Fiber shaping can be facilitated. In addition, it is desirable that other polymers are poorly soluble in water, so that when wet spinning, it is easy to prevent other polymers from dissolving in water and falling off in the coagulation tank and washing tank. Can do.

これらの要望を満足する他のポリマーとしては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン、酢酸セルロース、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノール樹脂などが挙げられるが、酢酸セルロース、アクリル樹脂およびメタクリル樹脂は、前述した要望のバランスの点で、好ましい。他のポリマーは、1種でもよく、2種以上でもよい。   Other polymers that satisfy these requirements include, for example, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl pyrrolidone, cellulose acetate, acrylic resin, methacrylic resin, phenolic resin, etc. Resins and methacrylic resins are preferred from the viewpoint of the balance of demands described above. The other polymer may be one type or two or more types.

繊維(b2−2)に用いる易割繊性海島複合繊維は、通常の湿式紡糸法で製造することができる。先ず、アクリル系ポリマーと他のポリマーとを溶剤に溶解して紡糸原液を調製する。または、アクリル系ポリマーを溶剤に溶解して得られる紡糸原液と、他のポリマーを溶剤に溶解して得られる紡糸原液とを、スタティックミキサー等で混合して紡糸原液としてもよい。溶剤としては、ジメチルアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどを用いることができる。これらの紡糸原液を紡糸機に供給してノズルより紡糸し、湿熱延伸、洗浄、乾燥および乾熱延伸を施こすことで、易割繊性海島複合繊維を得ることができる。   The splittable sea-island composite fiber used for the fiber (b2-2) can be produced by a normal wet spinning method. First, a spinning stock solution is prepared by dissolving an acrylic polymer and another polymer in a solvent. Alternatively, a spinning stock solution obtained by dissolving an acrylic polymer in a solvent and a spinning stock solution obtained by dissolving another polymer in a solvent may be mixed with a static mixer or the like to obtain a spinning stock solution. As the solvent, dimethylamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like can be used. An easily split fiber sea-island composite fiber can be obtained by supplying these spinning stock solutions to a spinning machine, spinning from a nozzle, and performing wet heat drawing, washing, drying and dry heat drawing.

易割繊性海島複合繊維の断面形状は、特に限定されない。分散性、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、易割繊性海島複合繊維の繊度は、1dtex以上10dtex以下であることが好ましい。易割繊性海島複合繊維の平均繊維長は、叩解後の分散性の観点から、1mm以上20mm以下が好ましい。   The cross-sectional shape of the easily splittable sea-island composite fiber is not particularly limited. In order to suppress dispersibility and breakage due to shrinkage at the time of carbonization, the fineness of the easily split sea-island composite fiber is preferably 1 dtex or more and 10 dtex or less. The average fiber length of the splittable sea-island composite fiber is preferably 1 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of dispersibility after beating.

易割繊性海島複合繊維は、機械的外力により相分離界面の剥離により叩解して、その少なくとも一部分が割繊し、フィブリル化する。叩解方法は、特に限定されないが、例えば、リファイナーやパルパー、ビーター、または加圧水流の噴射(ウオータージェットパンチング)によりフィブリル化することが可能である。易割繊性海島複合繊維を機械的外力により相分離界面の剥離により叩解する際には、叩解方法、叩解時間に依存して、フィブリル化の状態は変化する。フィブリル化の度合いを評価する方法として、濾水度評価(JIS P8121(パルプ濾水度試験法:カナダ標準型))を用いることができる。繊維(b2−2)の濾水度は特に限定されない。   The easily splittable sea-island composite fiber is beaten by peeling of the phase separation interface by a mechanical external force, and at least a part thereof is split and fibrillated. The beating method is not particularly limited, and for example, fibrillation can be performed by a refiner, a pulper, a beater, or a jet of pressurized water (water jet punching). When beating a splittable sea-island composite fiber by mechanical external force by peeling of the phase separation interface, the fibrillation state changes depending on the beating method and beating time. As a method for evaluating the degree of fibrillation, freeness evaluation (JIS P8121 (pulp freeness test method: Canadian standard type)) can be used. The freeness of the fiber (b2-2) is not particularly limited.

<樹脂炭化物(C)>
樹脂炭化物は、炭素短繊維(A)間および炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とを結着する炭化物であり、樹脂を加熱によって炭素化して得られる炭素材を用いることができる。加熱によって炭素化可能な樹脂(c)としては、炭素化した段階で炭素短繊維(A)間および炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とを結着することのできる公知の樹脂から適宜選んで用いることができる。炭素化後に導電性物質として残存しやすいという観点から、樹脂(c)としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ピッチ等が好ましく、加熱による炭素化の際の炭化率の高いフェノール樹脂が特に好ましい。前記フェノール樹脂としては、アルカリ触媒存在下においてフェノール類とアルデヒド類の反応によって得られるレゾールタイプフェノール樹脂を用いることができる。また、レゾールタイプの流動性フェノール樹脂に公知の方法によって酸性触媒下においてフェノール類とアルデヒド類の反応によって生成する、固体の熱融着性を示すノボラックタイプのフェノール樹脂を溶解混入させることもできるが、この場合は硬化剤、例えばヘキサメチレンジアミンを含有した、自己架橋タイプのものが好ましい。フェノール樹脂としては、アルコールやケトン類の溶媒に溶解したフェノール樹脂溶液や、水などの分散媒に分散したフェノール樹脂分散液などを用いることができる。
<Resin carbide (C)>
Resin carbide is a carbide that binds between short carbon fibers (A) and between short carbon fibers (A) and reticulated carbon fibers (B), and uses a carbon material obtained by carbonizing the resin by heating. Can do. As the resin (c) that can be carbonized by heating, it is known that carbon short fibers (A) and carbon short fibers (A) and reticulated carbon fibers (B) can be bound at the stage of carbonization. It can be used by appropriately selecting from these resins. From the viewpoint of easily remaining as a conductive substance after carbonization, the resin (c) is preferably a phenol resin, an epoxy resin, a furan resin, pitch, or the like, and particularly preferably a phenol resin having a high carbonization rate upon carbonization by heating. . As the phenol resin, a resol type phenol resin obtained by reaction of phenols and aldehydes in the presence of an alkali catalyst can be used. In addition, a novolac type phenolic resin showing solid heat-fusibility, which is produced by a reaction of phenols and aldehydes under an acidic catalyst by a known method, can be dissolved and mixed in a resol type flowable phenolic resin. In this case, a self-crosslinking type containing a curing agent such as hexamethylenediamine is preferred. As the phenol resin, a phenol resin solution dissolved in a solvent of alcohol or ketones, a phenol resin dispersion liquid dispersed in a dispersion medium such as water, or the like can be used.

樹脂炭化物中には導電性をさらに向上させるため導電性物質を混合することも好ましい。導電性物質としては、導電性、耐酸性の観点より炭素質ミルド繊維、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛粉などの炭素質材料が好ましい。加熱によって炭素化可能な樹脂(c)中の導電性物質を混合量は、樹脂に対して、1〜10質量%が好ましい。混合量が1質量%未満であると導電性改善の効果が小さいという点で不利であり、10質量%を越えると導電性改善の効果が飽和する傾向にあり、またコストアップの要因となるという点で不利である。   It is also preferable to mix a conductive substance in the resin carbide to further improve the conductivity. The conductive substance is preferably a carbonaceous material such as carbonaceous milled fiber, carbon black, acetylene black, or graphite powder from the viewpoint of conductivity and acid resistance. The mixing amount of the conductive substance in the resin (c) that can be carbonized by heating is preferably 1 to 10% by mass with respect to the resin. If the mixing amount is less than 1% by mass, it is disadvantageous in that the effect of improving the conductivity is small, and if it exceeds 10% by mass, the effect of improving the conductivity tends to saturate, and the cost increases. It is disadvantageous in terms.

多孔質電極基材における樹脂炭化物(C)の含有率は、10〜90質量%であることが好ましい。多孔質電極基材の導電性と機械的強度を十分なものに保つため、樹脂炭化物(C)の含有率は、15〜80質量%であることがより好ましい。   The content of the resin carbide (C) in the porous electrode substrate is preferably 10 to 90% by mass. In order to maintain sufficient conductivity and mechanical strength of the porous electrode substrate, the content of the resin carbide (C) is more preferably 15 to 80% by mass.

<多孔質電極基材の製造方法>
本発明は、以下の工程を有する。
(1)炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを2次元平面内において分散させた前駆体シートを製造する工程。
(2)前記前駆体シートを100℃〜300℃の温度で加熱加圧処理する工程。
(3)加熱加圧した前駆体シートを1000℃以上の温度で炭素化処理する工程。
<Method for producing porous electrode substrate>
The present invention includes the following steps.
(1) A step of producing a precursor sheet in which carbon short fibers (A) or carbon short fibers (A) and precursor fibers (b) are dispersed in a two-dimensional plane.
(2) The process of heat-pressing the said precursor sheet | seat at the temperature of 100 to 300 degreeC.
(3) A step of carbonizing the heated and pressurized precursor sheet at a temperature of 1000 ° C. or higher.

また、工程(1)と(2)との間に以下の工程(4)を、工程(2)の前に以下の工程(5)を、工程(2)と(3)との間に以下の工程(6)を含むことができる。
(4)前駆体シートを交絡処理する工程。
(5)炭素化可能な樹脂を含浸する工程
(6)加熱加圧された前駆体シートを酸化処理する工程。
Further, the following step (4) is performed between the steps (1) and (2), the following step (5) is performed before the step (2), and the following steps (2) and (3) are performed. Step (6) can be included.
(4) A step of entanglement the precursor sheet.
(5) Step of impregnating carbonizable resin (6) Step of oxidizing the heated and pressurized precursor sheet.

以下に各工程を詳しく説明する。   Each step will be described in detail below.

<前駆体シートを製造する工程(1)>
前駆体シートの製造方法としては、液体の媒体中に炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを分散させて抄造する湿式法、空気中に炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを分散させて降り積もらせる乾式法、などの抄紙方法を適用できる。しかし、シートの均一性が高いという観点から湿式法を用いることが好ましい。
<Process for producing precursor sheet (1)>
As a method for producing the precursor sheet, the short carbon fibers (A) or the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b) are dispersed in a liquid medium to make paper, and the short carbon fibers in the air. A paper making method such as a dry method in which the fiber (A) or the short carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) are dispersed and piled up can be applied. However, it is preferable to use a wet method from the viewpoint of high uniformity of the sheet.

炭素短繊維(A)が単繊維に開繊するのを助け、開繊した単繊維が再収束することを防止するためにも、前駆体繊維(b)を使用することが好ましい。また必要に応じて有機高分子化合物をバインダーとして使用して、湿式抄紙することもできる。   It is preferable to use the precursor fiber (b) in order to help the short carbon fibers (A) to be opened into single fibers and to prevent the opened single fibers from refocusing. If necessary, wet papermaking can be performed using an organic polymer compound as a binder.

この有機高分子化合物は、炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを含む前駆体シート中で、各成分をつなぎとめるバインダー(糊剤)としての役割を有する。この有機高分子化合物としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。特に、抄紙工程での結着力に優れ、炭素短繊維の脱落が少ないことから、ポリビニルアルコールが好ましい。本発明では、この有機高分子化合物を繊維形状にして用いることも可能である。   This organic polymer compound plays a role as a binder (glue) that holds the components together in a precursor sheet containing carbon short fibers (A) or carbon short fibers (A) and precursor fibers (b). Have. As this organic polymer compound, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate, or the like can be used. In particular, polyvinyl alcohol is preferred because it has excellent binding power in the paper making process and the short carbon fibers are less likely to fall off. In the present invention, it is also possible to use this organic polymer compound in a fiber shape.

前駆体繊維(b)を用いる場合は、バインダーとしての有機高分子化合物を用いずにシート化しても、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)(例えばフィブリル状炭素前駆体繊維(b2))との適度な絡みにより前駆体シートを得ることができる。   In the case of using the precursor fiber (b), the carbon short fiber (A) and the precursor fiber (b) (for example, the fibrillar carbon precursor fiber (b2) can be formed without using the organic polymer compound as a binder. A precursor sheet can be obtained by moderate entanglement with)).

炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを分散させる媒体としては、例えば、水、アルコールなどの前駆体繊維(b)が溶解しない媒体が挙げられるが、生産性の観点から、水が好ましい。   Examples of the medium in which the carbon short fibers (A) or the carbon short fibers (A) and the precursor fibers (b) are dispersed include a medium in which the precursor fibers (b) such as water and alcohol are not dissolved. From the viewpoint of productivity, water is preferable.

炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを混合する方法としては、水中で攪拌分散させる方法、これらを直接混ぜ込む方法が挙げられるが、均一に分散させる観点から、水中で拡散分散させる方法が好ましい。炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを混合し、抄紙して前駆体シートを製造することにより、前駆体シートの強度が向上する。また、その製造途中で、前駆体シートから炭素短繊維(A)が剥離し、炭素短繊維(A)の配向が変化することを防止することができる。   Examples of the method of mixing the carbon short fiber (A) or the carbon short fiber (A) and the precursor fiber (b) include a method of stirring and dispersing in water and a method of mixing these directly, but it is uniformly dispersed. From the viewpoint of achieving this, a method of diffusing and dispersing in water is preferable. The strength of the precursor sheet is improved by mixing the carbon short fiber (A) or the carbon short fiber (A) and the precursor fiber (b), and making a paper to produce the precursor sheet. Moreover, it can prevent that the carbon short fiber (A) peels from a precursor sheet | seat during the manufacture, and the orientation of a carbon short fiber (A) changes.

前駆体シートは、連続法とバッチ法のいずれによっても製造できるが、前駆体シートの生産性および機械的強度の観点から、連続法で製造することが好ましい。   The precursor sheet can be produced by either a continuous method or a batch method, but it is preferably produced by a continuous method from the viewpoint of the productivity and mechanical strength of the precursor sheet.

前駆体シートの目付は、前駆体シートのハンドリング性および多孔質電極基材としたときのガス透過性、導電性、ハンドリング性の観点から10g/m以上、200g/m以下であることが好ましい。
また、前駆体シートの厚みは、ガス透過性、導電性、ハンドリング性の観点から、20μm以上500μm以下であることが好ましく、より好ましくは50μm以上、400μm以下である。
The basis weight of the precursor sheet may be 10 g / m 2 or more and 200 g / m 2 or less from the viewpoints of handling properties of the precursor sheet and gas permeability, conductivity, and handling properties when used as a porous electrode substrate. preferable.
The thickness of the precursor sheet is preferably 20 μm or more and 500 μm or less, more preferably 50 μm or more and 400 μm or less, from the viewpoint of gas permeability, conductivity, and handling properties.

前駆体繊維(b)を用いる場合は、その種類や炭素短繊維(A)との混合比、酸化処理の有無によって、最終的に得られる多孔質電極基材中に網目状炭素繊維(B)として残る割合を調整することができる。   When the precursor fiber (b) is used, the network carbon fiber (B) in the porous electrode substrate finally obtained depending on the type, the mixing ratio with the short carbon fiber (A), and the presence or absence of oxidation treatment. The remaining proportion can be adjusted.

炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)との混合比は、炭素短繊維(A)100質量部に対して、前駆体繊維(b)が50質量部以上300質量部以下であることが好ましい。前駆体繊維(b)を50質量部以上とすることで、形成される網目状炭素繊維(B)の量が適度に多くなるため、多孔質電極基材シートの強度を容易に向上させることができる。前駆体繊維(b)を300質量部以下とすることで、炭素化時の前駆体繊維(b)の収縮を抑制する炭素短繊維(A)が少ないことに起因するシートの収縮を容易に抑制でき、多孔質電極基材シートの強度を容易に向上させることができる。   The mixing ratio of the short carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) is such that the precursor fiber (b) is 50 parts by mass or more and 300 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the carbon short fiber (A). Is preferred. By setting the precursor fiber (b) to 50 parts by mass or more, the amount of the reticulated carbon fiber (B) formed is appropriately increased, so that the strength of the porous electrode substrate sheet can be easily improved. it can. By setting the precursor fiber (b) to 300 parts by mass or less, it is possible to easily suppress the shrinkage of the sheet due to the short carbon fibers (A) that suppress the shrinkage of the precursor fiber (b) during carbonization. The strength of the porous electrode substrate sheet can be easily improved.

<加熱加圧成型する工程(2)>
多孔質電極基材が、構造体中に分散された炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって十分に接合された構造体、または構造体中に分散された炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって十分に接合されかつ、樹脂炭化物(C)によって炭素短繊維(A)間および炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とが十分に結着された構造体、または炭素短繊維(A)が樹脂炭化物(C)によって十分に結着された構造体とし、かつ多孔質電極基材の厚みムラを低減させるために前駆体シートを300℃未満の温度で加熱加圧成型することが好ましい。加熱加圧成型は、前駆体シートを均等に加熱加圧成型できる技術であれば、いかなる技術も適用できる。例えば、前駆体シートの両面に平滑な剛板を当てて熱プレスする方法や、連続ロールプレス装置または連続ベルトプレス装置を用いる方法が挙げられる。
<Step of heat and pressure molding (2)>
A structure in which the short carbon fibers (A) in which the porous electrode base material is dispersed in the structure are sufficiently joined by the network carbon fibers (B), or the short carbon fibers in the structure are dispersed. (A) are sufficiently joined together by reticulated carbon fibers (B), and between carbon short fibers (A) and between carbon short fibers (A) and reticulated carbon fibers (B) by resin carbide (C). In order to reduce the unevenness of the thickness of the porous electrode base material, and the structure in which the carbon short fibers (A) are sufficiently bound by the resin carbide (C) It is preferable to heat and press mold the sheet at a temperature of less than 300 ° C. Any technique can be applied to the heat and pressure molding as long as the technique can uniformly heat and mold the precursor sheet. For example, a method in which a smooth rigid plate is applied to both surfaces of the precursor sheet and heat-pressed, or a method using a continuous roll press device or a continuous belt press device can be mentioned.

連続的に製造された前駆体シートを加熱加圧成型する場合には、連続ロールプレス装置や連続ベルトプレス装置を用いる方法が好ましい。これによって、炭素化処理を連続で行うことができる。連続ベルトプレス装置におけるプレス方法としては、ロールプレスによりベルトに線圧で圧力を加える方法、液圧ヘッドプレスにより面圧でプレスする方法などが挙げられる。後者の方がより平滑な多孔質電極基材が得られるという点で好ましい。   In the case of heating and press-molding a continuously produced precursor sheet, a method using a continuous roll press device or a continuous belt press device is preferable. Thereby, the carbonization process can be performed continuously. Examples of the pressing method in the continuous belt press apparatus include a method of applying pressure to the belt with a linear pressure by a roll press, a method of pressing with a surface pressure by a hydraulic head press, and the like. The latter is preferred in that a smoother porous electrode substrate can be obtained.

加熱加圧成型時の温度は、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および樹脂(c)の接合を十分なものとし、かつ多孔質電極基材前駆体シートの表面を効果的に平滑にするために、300℃未満が好ましく、120〜290℃がより好ましい。   The temperature at the time of heat and pressure molding is sufficient to bond the short carbon fibers (A), the precursor fibers (b), and the resin (c), and the surface of the porous electrode substrate precursor sheet is effectively used. In order to make it smooth, it is preferably less than 300 ° C, more preferably 120 to 290 ° C.

加熱加圧成型時の圧力は特に限定されないが、20kPa〜10MPa程度が好ましい。このとき必要以上にプレス圧を高くすると、加熱加圧成型時に炭素短繊維(A)が破壊されるという問題や、多孔質電極基材の組織が緻密になりすぎるという問題等が生じる可能性がある。   The pressure at the time of heat and pressure molding is not particularly limited, but is preferably about 20 kPa to 10 MPa. If the press pressure is increased more than necessary at this time, there may be a problem that the short carbon fibers (A) are destroyed at the time of heat and pressure molding, a problem that the structure of the porous electrode substrate is too dense, or the like. is there.

加熱加圧成型の時間は、例えば5秒〜10分とすることができる。前駆体シートを2枚の剛板に挟む、または連続ロールプレス装置や連続ベルトプレス装置で加熱加圧成型する時は、剛板またはロールやベルトに前駆体繊維(b)および/また樹脂(c)などが付着しないように、あらかじめ剥離剤を塗っておくことや、前駆体シートと剛板またはロールやベルトとの間に離型紙を挟むことが好ましい。   The time for heat and pressure molding can be, for example, 5 seconds to 10 minutes. When the precursor sheet is sandwiched between two rigid plates, or when heated and pressed by a continuous roll press device or a continuous belt press device, the precursor fiber (b) and / or resin (c ) Or the like is preferably applied in advance, or a release paper is preferably sandwiched between the precursor sheet and the rigid plate or roll or belt.

加熱加圧成型する際に1枚の前駆体シートを成型しても、複数枚の前駆体シートを重ね合わせて一体化するように成型しても良い。   Even if one precursor sheet is molded during the heat and pressure molding, a plurality of precursor sheets may be superimposed and integrated.

<炭素化処理する工程(3)>
工程(3)により、前駆体繊維(b)および/または樹脂(c)が炭素化され、網目状炭素繊維(B)および/または樹脂炭化物(C)となる。これにより、得られる多孔質電極基材の機械的強度および導電性が向上する。
<Step of carbonizing (3)>
By the step (3), the precursor fiber (b) and / or the resin (c) are carbonized to form a network carbon fiber (B) and / or a resin carbide (C). Thereby, the mechanical strength and electroconductivity of the porous electrode base material obtained are improved.

炭素化処理は、得られる多孔質電極基材の導電性を高めるために、不活性ガス中で行なうことが好ましい。炭素化処理は、通常1000℃以上の温度で行なわれる。炭素化処理する温度範囲は、1000〜3000℃が好ましく、1000〜2200℃がより好ましい。炭素化処理を行なう時間は、例えば10分〜1時間程度である。また、炭素化処理の前に、300〜800℃の程度の不活性雰囲気での焼成による前処理を行なうことができる。   The carbonization treatment is preferably performed in an inert gas in order to increase the conductivity of the obtained porous electrode substrate. The carbonization treatment is usually performed at a temperature of 1000 ° C. or higher. 1000-3000 degreeC is preferable and, as for the temperature range which carbonizes, 1000-2200 degreeC is more preferable. The time for performing the carbonization treatment is, for example, about 10 minutes to 1 hour. Further, before the carbonization treatment, pretreatment by firing in an inert atmosphere of about 300 to 800 ° C. can be performed.

連続的に製造された前駆体シートを炭素化処理する場合は、製造コスト低減化の観点から、前駆体シートの全長にわたって連続で炭素化処理を行なうことが好ましい。多孔質電極基材を長尺にすれば、多孔質電極基材の生産性をさらに高くすることができ、かつその後のMEA(Membrane Electrode Assembly)製造も連続で行なうことができるので、燃料電池の製造コストを容易に低減できる。また、多孔質電極基材や燃料電池の生産性および製造コスト低減化の観点から、製造された多孔質電極基材を連続的に巻き取ることが好ましい。   When carbonizing the continuously manufactured precursor sheet, it is preferable to continuously perform the carbonizing process over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of reducing the manufacturing cost. If the porous electrode substrate is made long, the productivity of the porous electrode substrate can be further increased, and the subsequent MEA (Membrane Electrode Assembly) production can also be continuously performed. Manufacturing cost can be easily reduced. Moreover, it is preferable to wind up the manufactured porous electrode base material continuously from a viewpoint of productivity and reduction of manufacturing cost of a porous electrode base material and a fuel cell.

また本発明では、上述したように、工程(1)と、工程(2)との間に、前駆体シートを交絡処理する工程(4)を含むことができる。この際、工程(1)、(2)および(3)は、前述した方法により実施される。この形態では、交絡処理工程を含むため、前駆体シートおよび多孔質電極基材のハンドリンク性が向上する。さらに、交絡処理により多孔質電極基材の厚み方向の導電性が向上する。以下に、交絡処理工程について詳しく説明する。   Moreover, in this invention, as mentioned above, the process (4) which entangles a precursor sheet | seat can be included between a process (1) and a process (2). At this time, the steps (1), (2) and (3) are performed by the method described above. In this form, since the entanglement process step is included, the hand link property of the precursor sheet and the porous electrode substrate is improved. Furthermore, the electrical conductivity in the thickness direction of the porous electrode substrate is improved by the entanglement treatment. Hereinafter, the entanglement process step will be described in detail.

<交絡処理する工程(4)>
前駆体シート中の炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを交絡させる交絡処理は、交絡構造が形成される方法であればよく、公知の方法で実施できる。例えば、ニードルパンチング法などの機械交絡法、ウォータージェットパンチング法などの高圧液体噴射法、スチームジェットパンチング法などの高圧気体噴射法、或いはこれらの組み合わせによる方法を用いることができる。交絡工程での炭素短繊維(A)の破断を容易に抑制でき、かつ適度な交絡性が容易に得られるという点から、高圧液体噴射法が好ましい。以下、この方法について詳しく説明する。
<Process of entanglement process (4)>
The entanglement process for entanglement of the short carbon fibers (A) or the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b) in the precursor sheet may be any method that forms an entangled structure, and is a known method. Can be implemented. For example, a mechanical entanglement method such as a needle punching method, a high pressure liquid injection method such as a water jet punching method, a high pressure gas injection method such as a steam jet punching method, or a combination thereof can be used. The high-pressure liquid injection method is preferable because breakage of the short carbon fibers (A) in the entanglement process can be easily suppressed and moderate entanglement can be easily obtained. Hereinafter, this method will be described in detail.

高圧液体噴射処理法とは、実質的に表面平滑な支持部材上に前駆体シートを載せ、例えば、1MPaの圧力で噴射される液体柱状流、液体扇形流、液体スリット流等を作用させることによって、前駆体シート中の炭素短繊維(A)、または炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とを交絡させる処理方法である。ここで、実質的に表面平滑な支持部材としては、支持部材の模様が得られる交絡構造体に形成されることなく、かつ噴射された液体が速やかに除かれるようなものから必要に応じて選択して用いることができる。その具体例としては30〜200メッシュの金網又はプラスチックネット或いはロール等を挙げることができる。   The high-pressure liquid jet processing method is a method in which a precursor sheet is placed on a substantially smooth support member and, for example, a liquid columnar flow, a liquid fan-shaped flow, a liquid slit flow, or the like sprayed at a pressure of 1 MPa is applied. The carbon fiber (A) in the precursor sheet or the carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) are entangled with each other. Here, the support member having a substantially smooth surface is selected as necessary from the one in which the ejected liquid is quickly removed without being formed in the entangled structure body where the pattern of the support member can be obtained. Can be used. Specific examples thereof include 30-200 mesh wire nets, plastic nets or rolls.

実質的に表面平滑な支持部材上で前駆体シートを製造した後、高圧液体噴射処理することが、交絡構造前駆体シートを連続的に製造でき、生産性の観点から好ましい。   It is preferable from the viewpoint of productivity that the precursor sheet is manufactured on a support member having a substantially smooth surface, and then the high-pressure liquid injection treatment can be continuously performed because the precursor sheet is entangled.

高圧液体噴射処理に用いる液体としては、前駆体シートを構成する繊維を溶解する溶剤以外なら何でもよいが、通常は水或いは温水を用いることが好ましい。高圧液体噴射ノズル中のそれぞれの噴射ノズルの孔径は、柱状流の場合、十分な交絡効果が得られるという観点から、0.03mm以上1.0mm以下が好ましく、0.05mm以上0.3mm以下がより好ましい。ノズル噴射孔と積層体の間の距離は、0.5cm以上5cm以下が好ましい。液体の圧力は、0.5MPa以上が好ましく、1.0MPa以上がより好ましい。交絡処理は、1列でもよく複数列で行ってもよい。複数列で行なう場合、1列目よりも2列目以降の高圧液体噴射処理の圧力を高めることが有効である。   The liquid used for the high-pressure liquid jet treatment may be anything other than a solvent that dissolves the fibers constituting the precursor sheet, but it is usually preferable to use water or warm water. The hole diameter of each injection nozzle in the high-pressure liquid injection nozzle is preferably 0.03 mm or more and 1.0 mm or less, and 0.05 mm or more and 0.3 mm or less from the viewpoint that a sufficient confounding effect is obtained in the case of a columnar flow. More preferred. The distance between the nozzle injection hole and the laminate is preferably 0.5 cm or more and 5 cm or less. The pressure of the liquid is preferably 0.5 MPa or more, and more preferably 1.0 MPa or more. The confounding process may be performed in a single row or in a plurality of rows. When performing in a plurality of rows, it is effective to increase the pressure of the high-pressure liquid jet processing in the second and subsequent rows rather than the first.

前駆体シートの高圧液体噴射による交絡処理は、複数回繰り返してもよい。即ち、前駆体シートに高圧液体噴射処理を行った後、更に前駆体シートを積層し、高圧液体噴射処理を行ってもよいし、出来つつある交絡構造前駆体シートを裏返し、反対側から、高圧液体噴射処理を行ってもよい。また、これらの操作を繰り返してもよい。   The entanglement process by high-pressure liquid injection of the precursor sheet may be repeated a plurality of times. That is, after performing the high-pressure liquid injection process on the precursor sheet, the precursor sheet may be further laminated, and the high-pressure liquid injection process may be performed. Liquid ejection processing may be performed. These operations may be repeated.

交絡構造前駆体シートを連続的に製造する場合、1列または複数列のノズル孔を備える高圧液体噴射ノズルをシートの幅方向に振動させことにより、シート化方向にシートの疎密構造の形成に由来する筋状の軌跡パターンが形成されることを抑制することができる。シート化方向の筋状の軌跡パターンを抑制することにより、シート幅方向の機械的強度を発現することができる。また1列または複数列のノズル孔を備える高圧液体噴射ノズルを複数本使用する場合、高圧液体噴射ノズルをシートの幅方向に振動させる振動数、またその位相差を制御することにより交絡構造前駆体シートに現れる周期的な模様を抑制することもできる。   When continuously manufacturing the entangled structure precursor sheet, the high pressure liquid injection nozzle having one or more rows of nozzle holes is vibrated in the width direction of the sheet, resulting in the formation of a dense structure of the sheet in the sheet forming direction. It is possible to suppress the formation of a streak-like trajectory pattern. By suppressing the streak-like trajectory pattern in the sheet forming direction, the mechanical strength in the sheet width direction can be expressed. Further, when a plurality of high-pressure liquid jet nozzles having one or a plurality of rows of nozzle holes are used, the confounding structure precursor is controlled by controlling the frequency and the phase difference of the high-pressure liquid jet nozzles that vibrate in the width direction of the sheet. Periodic patterns appearing on the sheet can also be suppressed.

次に、本発明では、加熱加圧工程(2)の前に、前駆体シートを樹脂(c)を含浸する工程(5)を含むことができる。この際、工程(1)、(2)および(3)は、前述した方法により実施される。この形態では、炭素短繊維(A)間および炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とを樹脂炭化物(C)で結着させることことができるため、多孔質電極基材のハンドリンク性が向上する。さらに、多孔質電極基材の厚み方向の導電性が向上する。以下に、樹脂含浸工程について詳しく説明する。   Next, in this invention, the process (5) which impregnates a precursor sheet | seat with resin (c) can be included before a heating-pressing process (2). At this time, the steps (1), (2) and (3) are performed by the method described above. In this embodiment, the carbon short fibers (A) and the carbon short fibers (A) and the network carbon fibers (B) can be bound by the resin carbide (C). Hand linkability is improved. Furthermore, the conductivity in the thickness direction of the porous electrode substrate is improved. Hereinafter, the resin impregnation step will be described in detail.

<樹脂含浸工程(5)>
本発明においては、上述した炭素短繊維を含む前駆体シートに炭素化可能なを含浸し、加熱加圧により硬化し、次いで炭素化することにより燃料電池用多孔質電極基材とする。
<Resin impregnation step (5)>
In the present invention, the precursor sheet containing carbon short fibers described above is impregnated with carbonizable material, cured by heating and pressing, and then carbonized to obtain a porous electrode substrate for a fuel cell.

樹脂または樹脂と導電体の混合物を前駆体シートに含浸する方法としては、絞り装置を用いる方法もしくは樹脂フィルムを炭素シートに重ねる方法が好ましい。絞り装置を用いる方法は樹脂溶液もしくは混合液中に炭素シートを含浸し、絞り装置で取り込み液が炭素シート全体に均一に塗布されるようにし、液量は絞り装置のロール間隔を変えることで調節する方法である。比較的粘度が低い場合はスプレー法等も用いることができる。   As a method of impregnating the precursor sheet with resin or a mixture of a resin and a conductor, a method using a drawing device or a method of stacking a resin film on a carbon sheet is preferable. In the method using a squeezing device, a carbon sheet is impregnated in a resin solution or mixed solution, and the squeezing device applies the liquid to the entire carbon sheet uniformly, and the amount of liquid is adjusted by changing the roll interval of the squeezing device. It is a method to do. If the viscosity is relatively low, a spray method or the like can also be used.

樹脂フィルムを用いる方法は、まず熱硬化性樹脂を離型紙に一旦コーティングし、熱硬化性樹脂フィルムとする。その後、炭素シートに前記フィルムを積層して加熱加圧処理を行い、熱硬化性樹脂を転写する方法である。   In the method using a resin film, first, a thermosetting resin is once coated on a release paper to obtain a thermosetting resin film. Thereafter, the film is laminated on a carbon sheet and subjected to heat and pressure treatment to transfer a thermosetting resin.

次に、本発明では、加熱加圧工程(2)と炭素化処理工程(3)との間に、加熱加圧された前駆体シートを酸化処理する工程(6)を含むことができる。炭素短繊維(A)を、前駆体繊維(b)で良好に融着させ、かつ前駆体繊維(b)の炭素化率を向上させるという観点から、加熱加圧した前駆体シートを、酸化処理することが好ましい。以下に、酸化処理工程について詳しく説明する。   Next, in this invention, the process (6) of oxidizing the heat-pressed precursor sheet | seat can be included between a heat-pressing process (2) and a carbonization process process (3). From the viewpoints of fusing the short carbon fibers (A) well with the precursor fibers (b) and improving the carbonization rate of the precursor fibers (b), the heated and pressurized precursor sheet is oxidized. It is preferable to do. Hereinafter, the oxidation treatment process will be described in detail.

<酸化処理する工程(6)>
酸化処理の温度は、炭素化率を向上させる観点から、200℃以上300℃未満とすることが好ましく、240℃以上290℃以下とすることがより好ましい。酸化処理の時間は、例えば1分間〜2時間とすることができる。酸化処理としては、加熱多孔板を用いた加圧直接加熱による連続酸化処理、または加熱ロール等を用いた間欠的な加圧直接加熱による連続酸化処理が、低コスト、かつ炭素短繊維(A)を前駆体繊維(b)で融着させることができるという点で好ましい。連続的に製造された前駆体シートを酸化処理する場合、前駆体シートの全長にわたって連続で酸化処理することが好ましい。これによって、炭素化処理を容易に連続して行なうことができる。
<Step of oxidation treatment (6)>
The temperature of the oxidation treatment is preferably 200 ° C. or higher and lower than 300 ° C., and more preferably 240 ° C. or higher and 290 ° C. or lower from the viewpoint of improving the carbonization rate. The oxidation treatment time can be, for example, 1 minute to 2 hours. As oxidation treatment, continuous oxidation treatment by direct pressure heating using a heated perforated plate or continuous oxidation treatment by intermittent direct pressure heating using a heating roll or the like is low in cost and short carbon fiber (A) Is preferable in that it can be fused with the precursor fiber (b). When oxidizing the precursor sheet manufactured continuously, it is preferable to continuously oxidize the entire length of the precursor sheet. As a result, the carbonization treatment can be performed easily and continuously.

<燃料電池に用いた際の短絡電流や反応ガスのクロスリークの抑制>
燃料電池に用いた際の短絡電流や反応ガスのクロスリークを抑制するためには、多孔質電極基材による電解質膜へのダメージを低減することが重要である。この電解質膜へのダメージは、多孔質電極基材中の炭素短繊維(A)や網目状炭素繊維(B)や樹脂炭化物(C)の脱落物の突き刺さりが原因となる。多孔質電極基材は燃料電池に組み込むときに反応ガスのシール性の確保とそれぞれの材料間での電気的な接触抵抗を低減することを目的として、0.5MPa〜3.5MPa程度の圧力で締結される。この圧力で多孔質電極基材中の炭素短繊維(A)や網目状炭素繊維(B)や樹脂炭化物(C)が破壊され、多孔質電極基材より脱落すると、電解質膜へ突き刺さり、短絡電流や反応ガスのクロスリークが発生し燃料電池の耐久性に大きな影響を与える。多孔質電極基材は繊維質からなる多孔質材料であるため、圧力を与えると繊維交点部分に大きな荷重が掛かることになる。この荷重による炭素短繊維(A)や網目状炭素繊維(B)や樹脂炭化物(C)の破壊を抑制するためには、繊維交点部分の面積を大きくすることと単位体積あたりの交点数を増やすことが必須となる。これを実現するためには、多孔質電極基材の嵩密度が0.30g/cm以上であることが好ましい。短絡電流を低減するという観点では多孔質電極基材の嵩密度は高ければ高いほどよいが、多孔質電極基材のガス拡散を考慮すると0.60g/cm以下であることが好ましい。
<Suppression of short-circuit current and reactive gas cross-leakage when used in fuel cells>
In order to suppress short-circuit current and reactive gas cross-leakage when used in a fuel cell, it is important to reduce damage to the electrolyte membrane by the porous electrode substrate. This damage to the electrolyte membrane is caused by the sticking out of the fallen carbon short fibers (A), reticulated carbon fibers (B), and resin carbide (C) in the porous electrode substrate. The porous electrode base material is used at a pressure of about 0.5 MPa to 3.5 MPa for the purpose of ensuring the sealing property of the reaction gas and reducing the electrical contact resistance between the respective materials when being incorporated in the fuel cell. It is concluded. When this pressure destroys the short carbon fibers (A), reticulated carbon fibers (B), and resin carbide (C) in the porous electrode base material and falls off the porous electrode base material, it pierces the electrolyte membrane and causes a short circuit current. As a result, cross-leakage of the reaction gas occurs and the durability of the fuel cell is greatly affected. Since the porous electrode substrate is a porous material made of a fiber, a large load is applied to the fiber intersection portion when pressure is applied. In order to suppress the destruction of the short carbon fiber (A), the net-like carbon fiber (B), and the resin carbide (C) due to this load, the area of the fiber intersection portion is increased and the number of intersection points per unit volume is increased. It is essential. In order to realize this, the bulk density of the porous electrode substrate is preferably 0.30 g / cm 3 or more. From the viewpoint of reducing the short-circuit current, the higher the bulk density of the porous electrode substrate, the better. However, considering gas diffusion of the porous electrode substrate, it is preferably 0.60 g / cm 3 or less.

また、電解質膜と接触する片方の面から厚さ30μm以内の多孔質電極基材中の炭素短繊維(A)や網目状炭素繊維(B)や樹脂炭化物(C)の脱落物は、電解質膜へのダメージの要因となるが、電解質膜と接触する片方の面から厚さ30μm以上の範囲での脱落物は多孔質基材である多孔質電極基材中に存在する状態となるため、燃料電池に組み込んだ際の締結圧においても電解質膜へのダメージの要因とはならない。
したがって、多孔質電極基材表面において結着が不十分な炭素短繊維や網目状炭素繊維および樹脂炭化物が十分に少なくし、燃料電池に組み込んだ際の締結圧において電解質膜へのダメージを低減するためには、多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上であることが好ましい。多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上であれば、多孔質電極基材全体がほぼ均一に嵩密度0.30g/cm以上であっても良く、多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上であれば、表面から厚さ30μm以上の嵩密度が0.30g/cm以下であってもよい。さらに、多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上であれば、表面から厚さ30μm以上の部分の嵩密度が、厚さ30μmまでの嵩密度以上であってもよい。
なお、多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度は、短絡電流を低減するという観点では多孔質電極基材の嵩密度は高ければ高いほどよいが、多孔質電極基材のガス拡散を考慮すると0.60g/cm以下であることが好ましい。
In addition, the carbon short fiber (A), the network carbon fiber (B), and the resin carbide (C) in the porous electrode base material having a thickness of 30 μm or less from one surface in contact with the electrolyte membrane are separated from the electrolyte membrane. However, since the fallout within a thickness of 30 μm or more from one surface in contact with the electrolyte membrane is present in the porous electrode substrate, which is a porous substrate, the fuel Even the fastening pressure when incorporated in the battery does not cause damage to the electrolyte membrane.
Therefore, carbon short fibers and network carbon fibers that are insufficiently bonded on the surface of the porous electrode substrate and resin carbide are sufficiently reduced, and damage to the electrolyte membrane is reduced at the fastening pressure when incorporated in a fuel cell. For this purpose, the bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is preferably 0.30 g / cm 3 or more. If the bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more, the entire porous electrode substrate is almost uniformly bulk density 0.30 g / cm. 3 or more. If the bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more, the bulk density of the surface from the surface is 30 μm or more. May be 0.30 g / cm 3 or less. Further, if the bulk density from the surface of at least one of the surfaces of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more, the bulk density of the portion of the thickness of 30 μm or more from the surface is the thickness. It may be a bulk density of up to 30 μm.
The bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode base material to a thickness of 30 μm is better from the viewpoint of reducing the short-circuit current, but the higher the bulk density of the porous electrode base material, In consideration of gas diffusion of the porous electrode substrate, it is preferably 0.60 g / cm 3 or less.

多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上とする方法は特に限定されないが、前駆体シートを作製する際に、前駆体繊維(b)比率を大きくすること、樹脂(c)比率を大きくすること、加熱加圧工程での成型圧を大きくすることが好ましい。これらの方法は単一で用いることも、組み合わせて用いることも好ましい。 The method of setting the bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode base material to a thickness of 30 μm to 0.30 g / cm 3 or more is not particularly limited. (B) It is preferable to increase the ratio, increase the resin (c) ratio, and increase the molding pressure in the heating and pressing step. These methods are preferably used alone or in combination.

多孔質電極基材の表面のうち少なくとも片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上とするために、前駆体繊維(b)比率を大きくすることのみを用いる場合は、少なくとも多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの部分の網目状炭素繊維(B)の含有率を30〜60質量%となるように前駆体繊維(b)比率を50質量%以上に制御することが好ましい。また、樹脂(c)比率を大きくすることのみを用いる場合は、少なくとも多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの部分の樹脂炭化物(C)の含有率を30〜60質量%となるように樹脂(c)比率を70質量%以上に制御することが好ましい。また、加熱加圧工程での成型圧を大きくすることのみを用いる場合は、少なくとも多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上となるように成型圧を制御することが好ましい。 When using only increasing the precursor fiber (b) ratio so that the bulk density from at least one of the surfaces of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more. The ratio of the precursor fiber (b) to 50 mass% so that the content of the network carbon fiber (B) at least from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 30 to 60 mass%. It is preferable to control to% or more. When only increasing the resin (c) ratio is used, the content of the resin carbide (C) in at least a portion from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 30 to 60% by mass. It is preferable to control the resin (c) ratio to 70% by mass or more so that When only increasing the molding pressure in the heating and pressing step is used, the bulk density from at least one surface of the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more. It is preferable to control the molding pressure.

また、嵩密度が必要以上に大きくなるとガス拡散性低下などの問題が生じる可能性がある場合には、多孔質電極基材の厚み方向で、嵩密度を変化させることも好ましい。これらの方法も特に限定されないが、前駆シート中の前駆体繊維(b)の比率が変化するように、異なる繊維比率のシートを積層することや、樹脂(c)が偏在したシートを用いることなどが好ましい。   In addition, when the bulk density is increased more than necessary, it is also preferable to change the bulk density in the thickness direction of the porous electrode base material when there is a possibility that a problem such as a decrease in gas diffusibility occurs. Although these methods are not particularly limited, such as stacking sheets having different fiber ratios or using a sheet in which the resin (c) is unevenly distributed so that the ratio of the precursor fibers (b) in the precursor sheet changes. Is preferred.

異なる繊維比率のシートを積層する場合は、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上となるようにし、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の嵩密度が0.30g/cm以下となるようにすることで、多孔質電極基材のガス拡散性の低下を抑制することができる。多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上とするためには、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの部分の網目状炭素繊維(B)の含有率が30〜60質量%となるように前駆体繊維(b)比率を50質量%以上に制御することが好ましく、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の嵩密度が0.30g/cm以下となるようにするためには、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の網目状炭素繊維(B)の含有率が30質量%未満となるように前駆体繊維(b)比率を40質量%以下に制御することが好ましい。 When laminating sheets with different fiber ratios, the bulk density from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more, and one of the porous electrode substrates in the porous electrode substrate By making the bulk density of the portion having a thickness of 30 μm or more from the surface of the substrate become 0.30 g / cm 3 or less, it is possible to suppress a decrease in gas diffusibility of the porous electrode substrate. In order for the bulk density from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm to be 0.30 g / cm 3 or more, the portion from the one surface in the porous electrode substrate to the thickness of 30 μm It is preferable to control the precursor fiber (b) ratio to 50% by mass or more so that the content of the reticulated carbon fiber (B) is 30 to 60% by mass, from one surface in the porous electrode substrate. In order to make the bulk density of a part having a thickness of 30 μm or more 0.30 g / cm 3 or less, a mesh-like carbon fiber (B) having a part having a thickness of 30 μm or more from one surface in the porous electrode substrate is used. ) Content of precursor fiber (b) is preferably controlled to 40% by mass or less so that the content is less than 30% by mass.

異なる繊維比率のシートを積層する方法は特に限定されないが、2枚以上の異なる繊維比率のシートを作製した後、加熱加圧工程や交絡処理工程で貼り合せる方法や、2種類以上の異なる繊維比率のスラリーを用意し漉き合わせる方法などを用いることができる。   The method of laminating sheets with different fiber ratios is not particularly limited, but after preparing two or more sheets with different fiber ratios, a method of bonding them in the heating and pressurizing step or the entanglement process step, or two or more different fiber ratios A method of preparing and mixing the slurry can be used.

樹脂(c)が偏在したシートを用いる場合は、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上となるようにし、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の嵩密度が0.30g/cm以下となるようにすることで、多孔質電極基材のガス拡散性の低下を抑制することができる。多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上とするためには、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μmまでの部分の樹脂炭化物(C)の含有率が30〜60質量%となるように樹脂(c)比率を70質量%以上に制御することが好ましく、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の嵩密度が0.30g/cm以下となるようにするためには、多孔質電極基材中の片方の表面から厚さ30μm以上の部分の樹脂炭化物(C)の含有率が30質量%未満となるように樹脂(c)比率を60質量%以下に制御することが好ましい。 When using a sheet in which the resin (c) is unevenly distributed, the bulk density from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm is 0.30 g / cm 3 or more, By making the bulk density of the portion having a thickness of 30 μm or more from one surface of the material to be 0.30 g / cm 3 or less, it is possible to suppress a decrease in gas diffusibility of the porous electrode substrate. In order for the bulk density from one surface in the porous electrode substrate to a thickness of 30 μm to be 0.30 g / cm 3 or more, the portion from the one surface in the porous electrode substrate to the thickness of 30 μm The resin (c) ratio is preferably controlled to 70% by mass or more so that the content of the resin carbide (C) is 30 to 60% by mass, and the thickness is 30 μm or more from one surface in the porous electrode substrate. In order to make the bulk density of the portion of 0.30 g / cm 3 or less, the content of the resin carbide (C) in the portion of 30 μm or more in thickness from one surface in the porous electrode substrate is 30 It is preferable to control the resin (c) ratio to 60% by mass or less so as to be less than mass%.

樹脂(c)が偏在したシートを作製する方法も特に限定されないが、2枚以上の異なる樹脂比率のシートを作製した後、加熱加圧工程で貼り合せる方法や、スプレーコートやキスコートなどのシート片面から樹脂(c)を含浸させる方法や、厚み方向に繊維組成が変化するシートを用いることで、樹脂(c)を偏在させる方法などを用いることができる。   The method for producing the sheet in which the resin (c) is unevenly distributed is not particularly limited, but after producing two or more sheets with different resin ratios, a method of bonding in a heating and pressing process, or a sheet on one side such as a spray coat or a kiss coat From the viewpoint of impregnating the resin (c), a method in which the resin (c) is unevenly distributed can be used by using a sheet whose fiber composition changes in the thickness direction.

<多孔質電極基材の嵩密度の測定方法>
本発明における多孔質電極基材の嵩密度の測定は、厚み方向に嵩密度に変化がないようにした多孔質電極基材の嵩密度は単位面積あたりの重量と多孔質電極基材の厚みより嵩密度を算出すればよい。厚み方向に嵩密度に変化がないので、こうして求めた嵩密度が表面から厚さ30μmまでの嵩密度となる。
<Measurement method of bulk density of porous electrode substrate>
In the measurement of the bulk density of the porous electrode substrate in the present invention, the bulk density of the porous electrode substrate in which the bulk density is not changed in the thickness direction is determined from the weight per unit area and the thickness of the porous electrode substrate. What is necessary is just to calculate a bulk density. Since there is no change in the bulk density in the thickness direction, the bulk density thus determined is a bulk density from the surface to a thickness of 30 μm.

厚み方向に嵩密度に変化があるようにした多孔質電極基材の嵩密度は、断面試料作成装置(日本電子(株)製、商品名:クロスセクションポリッシャー)を用いて多孔質電極基材の断面を切断し、電子顕微鏡(日本電子(株)製、商品名:走査型電子顕微鏡)により厚み方向の密度比率と厚み比率を測定し、単位面積あたりの重量と厚みより算出した全体の嵩密度を用いて、片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度を算出することができる。   The bulk density of the porous electrode base material in which the bulk density is changed in the thickness direction is determined by using a cross-section sample preparation device (trade name: Cross Section Polisher, manufactured by JEOL Ltd.). Cut the cross section, measured the density ratio and thickness ratio in the thickness direction with an electron microscope (trade name: scanning electron microscope, manufactured by JEOL Ltd.), and calculated the total bulk density from the weight and thickness per unit area. Can be used to calculate the bulk density from one surface to a thickness of 30 μm.

<短絡電流密度>
短絡電流密度は、燃料電池に両極間を短絡する電流密度であり、この値が大ききなると燃料電池外部に取り出せる電流密度、エネルギーが低下するだけでなく、局所的な熱の発生につながり燃料電池の耐久性に大きな影響を及ぼす。これを抑制するためには電解質膜の強度や厚みを増大させることも可能ではあるが、これに伴いプロトン伝導抵抗が増大するため、発電効率が低下してしまう。電解質膜の厚みにかかわらず、後述する短絡電流密度を0.1mA/cm以下、好ましくは0.08mA/cm以下とすることができる多孔質電極基材を用いることで燃料電池の耐久性、発電性能を高めることができる。
<Short-circuit current density>
The short-circuit current density is a current density that short-circuits both electrodes of the fuel cell. When this value is increased, not only the current density and energy that can be taken out of the fuel cell but also local heat is generated. It has a great influence on the durability. Although it is possible to increase the strength and thickness of the electrolyte membrane in order to suppress this, the proton conduction resistance increases with this, and the power generation efficiency decreases. Despite the thickness of the electrolyte membrane, the short-circuit current density 0.1 mA / cm 2 or less, which will be described later, preferably the durability of the fuel cell by using a porous electrode base material may be 0.08 mA / cm 2 or less , Can improve power generation performance.

<短絡電流密度の測定方法>
本発明においては、以下の実験条件にて短絡電流密度を測定する。
<Measurement method of short circuit current density>
In the present invention, the short-circuit current density is measured under the following experimental conditions.

(1)パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(ナフィオンNR211:デュポン(株):膜厚:25μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を、カソード用、アノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合して燃料電池用膜−電極接合体(MEA)を得る。 (1) A catalyst layer comprising catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50% by mass) on both sides of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (Nafion NR211: DuPont Co., Ltd .: film thickness: 25 μm) A laminate formed with (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) is sandwiched between porous electrode base materials for cathode and anode, and these are joined to form a membrane for a fuel cell -Obtain an electrode assembly (MEA).

(2)前記MEAを、JARI標準セル付属の蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、面圧が1.0MPaとなるように締結し、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成する。   (2) The MEA is sandwiched between two carbon separators having a bellows-like gas flow path attached to a JARI standard cell and fastened so that the surface pressure becomes 1.0 MPa. A solid polymer fuel cell (single cell) ).

(3)得られた単セルの両極に端子を接続し、デジタルマルチメーターTR6487(アドバンテスト社製)を使用して電極間の電位差は1.0Vとし、短絡電流密度を測定する。   (3) Terminals are connected to both electrodes of the obtained single cell, and the potential difference between the electrodes is set to 1.0 V using a digital multimeter TR6487 (manufactured by Advantest), and the short-circuit current density is measured.

本発明においては、上記測定方法によるの短絡電流密度が0.1mA/cm以下である多孔質電極基材が好ましい。短絡電流密度は低ければ低いほどよい。短絡電流密度が大きいと燃料電池として取り出せる起電力が低下するだけでなく、耐久性が低下する。 In the present invention, a porous electrode base material having a short-circuit current density of 0.1 mA / cm 2 or less according to the measurement method is preferred. The lower the short circuit current density, the better. When the short-circuit current density is large, not only the electromotive force that can be taken out as the fuel cell is lowered, but also the durability is lowered.

以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。実施例中の各物性値等は以下の方法で測定した。「部」は「質量部」を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. Each physical property value in the examples was measured by the following method. “Part” means “part by mass”.

〔短絡電流密度の測定方法〕
多孔質電極基材2組をカソード用、アノード用として用意した。またパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(ナフィオンNR211:デュポン(株):膜厚:25μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を用意した。この積層体を、カソード用、アノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合して燃料電池用膜−電極接合体(MEA)を得た。
[Measurement method of short circuit current density]
Two sets of porous electrode base materials were prepared for the cathode and the anode. Further, a catalyst layer (catalyst comprising catalyst-supporting carbon (catalyst: Pt, catalyst loading: 50% by mass) on both surfaces of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (Nafion NR211: DuPont Co., Ltd .: film thickness: 25 μm) A laminate having a layer area of 25 cm 2 and a Pt adhesion amount of 0.3 mg / cm 2 was prepared. The laminate was sandwiched between cathode and anode porous electrode base materials and joined together to obtain a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA).

前記MEAを、JARI標準セル付属の蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、面圧が1.0MPaとなるように締結し、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成した。   The MEA is sandwiched between two carbon separators having a bellows-like gas flow path attached to a JARI standard cell and fastened to a surface pressure of 1.0 MPa to form a polymer electrolyte fuel cell (single cell). did.

この単セルの両極に端子を接続し、デジタルマルチメーターTR6487(アドバンテスト社製)を使用し、電極間の電位差は1.0Vとし、短絡電流密度を測定した。   Terminals were connected to both electrodes of the single cell, a digital multimeter TR6487 (manufactured by Advantest) was used, the potential difference between the electrodes was 1.0 V, and the short-circuit current density was measured.

〔片方の表面から厚さ30μm以内の嵩密度〕
厚み方向に嵩密度に変化がないようにした多孔質電極基材の嵩密度は単位面積あたりの重量と後述する厚みより嵩密度を算出した。
[Bulk density within 30μm thickness from one surface]
The bulk density of the porous electrode substrate in which the bulk density did not change in the thickness direction was calculated from the weight per unit area and the thickness described later.

厚み方向に嵩密度に変化がするようにした多孔質電極基材の嵩密度は、断面試料作成装置(日本電子(株)製、商品名:クロスセクションポリッシャー)を用いて多孔質電極基材の断面を切断し、電子顕微鏡(日本電子(株)製、商品名:走査型電子顕微鏡)により厚み方向の密度比率と厚み比率を測定し、単位面積あたりの重量と後述する厚みより算出した全体の嵩密度を用いて、片方の表面から厚さ30μm以内の嵩密度を算出した。   The bulk density of the porous electrode base material in which the bulk density is changed in the thickness direction is determined by using a cross-section sample preparation device (trade name: Cross Section Polisher, manufactured by JEOL Ltd.). Cut the cross-section, measure the density ratio and thickness ratio in the thickness direction with an electron microscope (JEOL Ltd., trade name: scanning electron microscope), and calculate the total weight calculated from the weight per unit area and the thickness described later. Using the bulk density, the bulk density within a thickness of 30 μm from one surface was calculated.

〔ガス透気度〕
JIS規格P−8117に準拠し、ガーレーデンソメーターを使用して200mLの空気が透過するのにかかった時間を測定し、ガス透気度(ml/hr/cm/mmAq)を算出した。
[Gas permeability]
Based on JIS standard P-8117, the time required for 200 mL of air to permeate was measured using a Gurley densometer, and the gas permeability (ml / hr / cm 2 / mmAq) was calculated.

〔厚み〕
多孔質電極基材の厚みは、厚み測定装置ダイヤルシックネスゲージ((株)ミツトヨ製、商品名:7321)を使用して測定した。測定子の大きさは直径10mmで、測定圧力は1.5kPaとした。
[Thickness]
The thickness of the porous electrode substrate was measured using a thickness measuring device dial thickness gauge (manufactured by Mitutoyo Corporation, trade name: 7321). The size of the probe was 10 mm in diameter, and the measurement pressure was 1.5 kPa.

〔貫通方向抵抗〕
多孔質電極基材の厚さ方向の電気抵抗(貫通方向抵抗)は、金メッキした銅板に多孔質電極基材を挟み、銅板の上下から1.0MPaで加圧し、10mA/cmの電流密度で電流を流したときの抵抗値を測定し、次式より求めた。
(Penetration direction resistance)
The electrical resistance (through-direction resistance) in the thickness direction of the porous electrode substrate is obtained by sandwiching the porous electrode substrate between gold-plated copper plates, pressurizing at 1.0 MPa from above and below the copper plate, and at a current density of 10 mA / cm 2. The resistance value when a current was passed was measured and obtained from the following equation.

貫通方向抵抗(mΩ・cm)=測定抵抗値(mΩ)×試料面積(cm
〔網目状炭素繊維(B)の平均径〕
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡写真から任意の50箇所における網目状炭素繊維(B)の直径を測定し、その平均値より算出した。
Through-direction resistance (mΩ · cm 2 ) = Measured resistance value (mΩ) × Sample area (cm 2 )
[Average diameter of reticulated carbon fiber (B)]
From the scanning electron micrograph of the surface of the porous electrode substrate, the diameters of the reticulated carbon fibers (B) at arbitrary 50 locations were measured and calculated from the average value.

〔網目状炭素繊維(B)の含有率〕
網目状炭素繊維(B)の含有率は、得られた多孔質電極基材の目付と使用した炭素短繊維(A)の目付から次式より算出した。
[Content of reticulated carbon fiber (B)]
The content of the reticulated carbon fiber (B) was calculated from the following formula from the basis weight of the obtained porous electrode substrate and the basis weight of the carbon short fiber (A) used.

網目状炭素繊維(B)の含有率(質量%)=[多孔質電極基材目付(g/m)−炭素短繊維(A)目付(g/m)]÷多孔質電極基材目付(g/m)×100
〔樹脂炭化物(C)の含有率〕
樹脂炭化物(C)の含有率は、得られた多孔質電極基材の目付と使用した炭素短繊維(A)の目付から次式または、用いた樹脂の炭素化率より算出した。
Content (% by mass) of reticulated carbon fiber (B) = [Porous electrode substrate basis weight (g / m 2 ) −Carbon short fiber (A) basis weight (g / m 2 )] ÷ Porous electrode substrate basis weight (G / m 2 ) × 100
[Content of resin carbide (C)]
The content rate of the resin carbide (C) was calculated from the following formula or the carbonization rate of the used resin from the basis weight of the obtained porous electrode substrate and the basis weight of the carbon short fiber (A) used.

樹脂炭化物(C)の含有率(質量%)=[多孔質電極基材目付(g/m)−炭素短繊維(A)目付(g/m)]÷多孔質電極基材目付(g/m)×100
〔実施例1〕
炭素短繊維として、長さ3mmにカットした平均直径7μmのPAN系炭素短繊維100質量部と、長さ3mmのポリビニルアルコール(PVA)繊維(商品名:VBP105−1、クラレ株式会社製)を11質量部とを水中で分散し、連続的に金網上に抄造した後、乾燥して炭素繊維紙を得た。
Content (% by mass) of resin carbide (C) = [Porous electrode substrate basis weight (g / m 2 ) −Carbon short fiber (A) basis weight (g / m 2 )] ÷ Porous electrode substrate basis weight (g / M 2 ) × 100
[Example 1]
As carbon short fibers, 100 parts by mass of PAN-based carbon short fibers having an average diameter of 7 μm cut to a length of 3 mm and polyvinyl alcohol (PVA) fibers having a length of 3 mm (trade name: VBP105-1, manufactured by Kuraray Co., Ltd.) 11 After mass parts were dispersed in water and continuously formed on a wire mesh, they were dried to obtain carbon fiber paper.

この炭素繊維紙100質量部に、フェノール樹脂(商品名:フェノライトJ−325、大日本インキ化学株式会社製)のメタノール溶液を含浸させ、室温でメタノールを十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分を80質量部付着させたフェノール樹脂含浸炭素シートを得た。   100 parts by mass of this carbon fiber paper is impregnated with a methanol solution of a phenol resin (trade name: Phenolite J-325, manufactured by Dainippon Ink and Chemicals), and the methanol is sufficiently dried at room temperature, so that the nonvolatile content of the phenol resin A phenol resin-impregnated carbon sheet with 80 parts by mass was obtained.

このフェノール樹脂含浸炭素シートを2枚重ねて、250℃の温度で10×10N/mの線力のロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させた。その後、不活性ガス(窒素)雰囲気中、1900℃で連続的に炭素化して、厚みが170μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。また、多孔質電極基材の樹脂炭化物(C)の含有率は32%であった。 Two of the phenol resin-impregnated carbon sheets were stacked, and a roll press with a linear force of 10 × 10 4 N / m was performed at a temperature of 250 ° C. to cure the phenol resin. Thereafter, the porous electrode base was continuously carbonized at 1900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere, and carbon short fibers having a thickness of 170 μm and a bulk density of 0.31 g / cm 3 were bound with resin carbide. A material was obtained (the obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.31 g / cm 3 ). Moreover, the content rate of the resin carbide (C) of a porous electrode base material was 32%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.05mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.05 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例2〕
フェノール樹脂の不揮発分を110質量部としたこと以外は実施例1と同様にして、厚みが170μm、嵩密度が、0.35g/cmの炭素短繊維が樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.35g/cmである)。多孔質電極基材の樹脂炭化物(C)の含有率は41%であった。
[Example 2]
A porous electrode in which carbon short fibers having a thickness of 170 μm and a bulk density of 0.35 g / cm 3 were bound with a resin carbide except that the nonvolatile content of the phenol resin was 110 parts by mass. A base material was obtained (the resulting porous electrode base material had no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm was 0.35 g / cm 3 ). The resin carbide (C) content of the porous electrode substrate was 41%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.04mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.04 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例3〕
フェノール樹脂の不揮発分を180質量部としたこと以外は実施例1と同様にして、厚みが170μm、嵩密度が、0.44g/cmの炭素短繊維が樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.44g/cmである)。多孔質電極基材の樹脂炭化物(C)の含有率は53%であった。
Example 3
A porous electrode in which carbon short fibers having a thickness of 170 μm and a bulk density of 0.44 g / cm 3 were bound with a resin carbide except that the nonvolatile content of the phenol resin was 180 parts by mass. A base material was obtained (the obtained porous electrode base material had no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm was 0.44 g / cm 3 ). The resin carbide (C) content of the porous electrode substrate was 53%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.02mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.02 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例4〕
炭素短繊維(A)として、平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維を用意した。また、炭素繊維前駆体短繊維(b1)として、平均繊維径が4μm、平均繊維長が3mmのアクリル短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:D122)、フィブリル状炭素前駆体繊維(b2−2)として、叩解によってフィブリル化するアクリル系ポリマーとジアセテート(酢酸セルロース)とからなる易割繊性アクリル系海島複合短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:ボンネルM.V.P.−C651、平均繊維長:3mm)を用意した。この炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b1)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b2−2)とが、質量比40:30:30に調製し、連続的に平織メッシュ上に抄造した。この抄造したシートに下記の3本のウォータージェットノズルを備えた加圧水流噴射処理装置を用いて交絡処理した後、乾燥して交絡シートを得た。
Example 4
As the carbon short fiber (A), a PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 3 mm was prepared. Further, as the carbon fiber precursor short fibers (b1), acrylic short fibers having an average fiber diameter of 4 μm and an average fiber length of 3 mm (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: D122), fibrillar carbon precursor fibers (b2) -2), an easily split fiber acrylic sea-island composite short fiber (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Bonnell MVP) consisting of an acrylic polymer fibrillated by beating and diacetate (cellulose acetate) . -C651, average fiber length: 3 mm). The carbon short fibers (A), the carbon fiber precursor short fibers (b1), and the fibrillar carbon precursor fibers (b2-2) are prepared in a mass ratio of 40:30:30 and continuously on the plain woven mesh. Made paper. The sheet thus prepared was entangled using a pressurized water jet treatment apparatus equipped with the following three water jet nozzles and then dried to obtain an entangled sheet.

ノズル1:孔径φ0.15mm、501孔、幅方向の孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm。   Nozzle 1: hole diameter φ0.15 mm, 501 holes, pitch between holes in the width direction 1 mm (1001 holes / width 1 m), one line arrangement, nozzle effective width 500 mm.

ノズル2:孔径φ0.15mm、501孔、幅方向の孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm。   Nozzle 2: hole diameter φ0.15 mm, 501 holes, pitch between holes in the width direction 1 mm (1001 holes / width 1 m), one row arrangement, nozzle effective width 500 mm.

ノズル3:孔径φ0.15mm、1002孔、幅方向の孔間ピッチ1.5mm、3列配置、列間ピッチ5mm、ノズル有効幅500mm。   Nozzle 3: Hole diameter φ0.15 mm, 1002 holes, width-to-hole pitch 1.5 mm, three rows, row pitch 5 mm, nozzle effective width 500 mm.

それぞれの加圧水流噴射圧力を2MPa(ノズル1)、3MPa(ノズル2)、2MPa(ノズル3)とした。   The respective pressurized water jet pressures were set to 2 MPa (nozzle 1), 3 MPa (nozzle 2), and 2 MPa (nozzle 3).

次に、この前駆体シートの両面を、シリコーン系離型剤をコートした紙で挟んだ後、200℃の温度で10×10N/mの線力のロールプレスを行い、加圧加熱成型した。 Next, both sides of this precursor sheet are sandwiched between papers coated with a silicone-based release agent, followed by roll pressing with a linear force of 10 × 10 4 N / m at a temperature of 200 ° C. did.

その後、不活性ガス(窒素)雰囲気中、1900℃で連続的に炭素化して、厚みが150μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の目状炭素繊維(B)の含有率は31%であった。 Thereafter, the carbon was continuously carbonized at 1900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere, and a porous carbon short fiber having a thickness of 150 μm and a bulk density of 0.31 g / cm 3 was bound with a network carbon fiber. An electrode substrate was obtained (the resulting porous electrode substrate had no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm was 0.31 g / cm 3 ). The content rate of the mesh carbon fiber (B) of the porous electrode substrate was 31%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.07mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.07 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例5〕
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b1)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b2−2)とが、質量比35:35:30に調製したこと以外は実施例4と同様にして、厚みが130μm、嵩密度が、0.34g/cmの炭素短繊維が樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.34g/cmである)。多孔質電極基材の樹脂炭化物(C)の含有率は36%であった。
Example 5
Except that the carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor short fiber (b1), and the fibrillar carbon precursor fiber (b2-2) were prepared in a mass ratio of 35:35:30, the same as in Example 4. Thus, a porous electrode substrate in which carbon short fibers having a thickness of 130 μm and a bulk density of 0.34 g / cm 3 were bound with resin carbide was obtained (the obtained porous electrode substrate was bulk density in the thickness direction). The bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.34 g / cm 3 ). The resin carbide (C) content of the porous electrode substrate was 36%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.05mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.05 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例6〕
フィブリル状炭素前駆体繊維(b2−1)として、噴射凝固によって製造した繊維状の幹より直径3μm以下のフィブリルが多数分岐したポリアクリロニトリル系パルプを用いた以外は実施例4と同様にして、厚みが150μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)の含有率は31%であった。
Example 6
The thickness is the same as in Example 4 except that the fibrillar carbon precursor fiber (b2-1) is a polyacrylonitrile pulp in which a large number of fibrils having a diameter of 3 μm or less are branched from a fibrous trunk produced by spray coagulation. Obtained was a porous electrode base material in which short carbon fibers having a bulk density of 0.31 g / cm 3 were bound with a network carbon fiber (the obtained porous electrode base material had a bulk density in the thickness direction). There is no change and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.31 g / cm 3 ). The content of reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 31%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.06mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.06 mA / cm 2 and showed good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例7〕
加圧水流噴射による交絡処理を実施しなかったこと以外は実施例6と同様にして、厚みが150μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)の含有率は31%であった。
得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.05mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。
Example 7
A porous material in which carbon short fibers having a thickness of 150 μm and a bulk density of 0.31 g / cm 3 are bound by a network carbon fiber in the same manner as in Example 6 except that the entanglement treatment by pressurized water flow injection was not performed. A porous electrode substrate was obtained (the resulting porous electrode substrate had no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm was 0.31 g / cm 3 ). The content of reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 31%.
The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.05 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例8〕
炭素化処理工程の前に、加圧加熱成型した前駆体シートを大気中280℃、1分間酸化処理したこと以外は実施例6と同様にして、厚みが150μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)の含有率は31%であった。
Example 8
A thickness of 150 μm and a bulk density of 0.31 g / min were the same as in Example 6 except that the pressure-heat-molded precursor sheet was oxidized at 280 ° C. for 1 minute in the air before the carbonization treatment step. A porous electrode base material in which short carbon fibers of cm 3 were bound with a network carbon fiber was obtained (the obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction and has a thickness of 30 μm from the surface. The bulk density is 0.31 g / cm 3 ). The content of reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 31%.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.05mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.05 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例9〕
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b1)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b2−2)とが、質量比60:20:20に調製したこと以外は実施例4と同様にして、交絡シートを得た。この交絡シート100質量部に、水分散フェノール樹脂(商品名:PR−55464、住友ベークライト(株)製)を含浸させ、室温で十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分を60質量部付着させたフェノール樹脂含浸シートを得た。
Example 9
Except that the short carbon fiber (A), the short carbon fiber precursor fiber (b1), and the fibrillar carbon precursor fiber (b2-2) were prepared in a mass ratio of 60:20:20, the same as in Example 4. The entangled sheet was obtained. 100 parts by mass of the entangled sheet was impregnated with a water-dispersed phenol resin (trade name: PR-55464, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) and sufficiently dried at room temperature, to which 60 parts by mass of the nonvolatile content of the phenol resin was adhered. A phenol resin impregnated sheet was obtained.

このフェノール樹脂含浸シートを、250℃の温度で10×10N/mの線力のロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させた。その後、不活性ガス(窒素)雰囲気中、1900℃で連続的に炭素化して、厚みが150μm、嵩密度が、0.32g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維および樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.32g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)および樹脂炭化物(C)の含有率はそれぞれ、13%と25%であった。 This phenol resin impregnated sheet was roll-pressed at a temperature of 250 ° C. and a linear force of 10 × 10 4 N / m to cure the phenol resin. Thereafter, the carbon is continuously carbonized at 1900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere, and carbon short fibers having a thickness of 150 μm and a bulk density of 0.32 g / cm 3 are bound with reticulated carbon fibers and resin carbide. The obtained porous electrode base material was obtained (the obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.32 g / cm 3 ). The contents of the reticulated carbon fiber (B) and the resin carbide (C) of the porous electrode substrate were 13% and 25%, respectively.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.03mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.03 mA / cm 2 and showed good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例10〕
フェノール樹脂の不揮発分を100質量部付着させたこと以外は実施例9と同様にして、厚みが150μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維および樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)および樹脂炭化物(C)の含有率はそれぞれ、10%と36%であった。
Example 10
A carbon short fiber having a thickness of 150 μm and a bulk density of 0.31 g / cm 3 is a reticulated carbon fiber and a resin carbide, except that 100 parts by mass of the nonvolatile content of the phenol resin is adhered. A bonded porous electrode base material was obtained (the obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.31 g / cm 3 ). . The contents of reticulated carbon fiber (B) and resin carbide (C) in the porous electrode substrate were 10% and 36%, respectively.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.02mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.02 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例11〕
線力を13×10N/mとしたこと以外は実施例9と同様にして、厚みが140μm、嵩密度が、0.31g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維および樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.31g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)および樹脂炭化物(C)の含有率はそれぞれ、13%と25%であった。
Example 11
A carbon short fiber having a thickness of 140 μm and a bulk density of 0.31 g / cm 3 is a reticulated carbon fiber and a resin carbide except that the linear force is set to 13 × 10 4 N / m. A bonded porous electrode base material was obtained (the obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.31 g / cm 3 ). . The contents of the reticulated carbon fiber (B) and the resin carbide (C) of the porous electrode substrate were 13% and 25%, respectively.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.03mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.03 mA / cm 2 and showed good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔実施例12〕
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b1)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b2−2)とが、質量比60:20:20に調製し、目付を実施例9の半分としたシートを2枚得たこと以外は実施例9と同様にして、交絡シートを得た。この交絡シート100質量部に、水分散フェノール樹脂(商品名:PR-55464、住友ベークライト(株)製)を含浸させ、室温で十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分をそれぞれ40、80質量部付着させたフェノール樹脂含浸シートを2枚得た。
Example 12
The short carbon fiber (A), the short carbon fiber precursor fiber (b1), and the fibrillar carbon precursor fiber (b2-2) were prepared at a mass ratio of 60:20:20, and the basis weight was half that of Example 9. An entangled sheet was obtained in the same manner as in Example 9 except that two sheets obtained were obtained. 100 parts by mass of the entangled sheet is impregnated with a water-dispersed phenol resin (trade name: PR-55464, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), and is thoroughly dried at room temperature. The nonvolatile content of the phenol resin is 40 and 80 parts by mass, respectively. Two sheets of phenol resin impregnated sheets adhered were obtained.

このフェノール樹脂含浸シートを2枚重ねあわせ、250℃の温度で10×10N/mの線力のロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させた。その後、不活性ガス(窒素)雰囲気中、1900℃で連続的に炭素化して、厚みが150μm、多孔質電極基材全体の嵩密度が、0.32g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維および樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た。断面観察より片方の表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.37g/cmであった。網目状炭素繊維(B)および樹脂炭化物(C)の含有率はそれぞれ、13%と25%であった。 Two sheets of this phenol resin impregnated sheet were overlapped and a roll press with a linear force of 10 × 10 4 N / m was performed at a temperature of 250 ° C. to cure the phenol resin. Thereafter, carbon is continuously carbonized at 1900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere, and carbon short fibers having a thickness of 150 μm and a bulk density of the entire porous electrode substrate of 0.32 g / cm 3 are reticulated carbon. A porous electrode substrate bound with fibers and resin carbide was obtained. From cross-sectional observation, the bulk density from one surface to a thickness of 30 μm was 0.37 g / cm 3 . The contents of reticulated carbon fiber (B) and resin carbide (C) were 13% and 25%, respectively.

得られた多孔質電極基材の短絡電流密度は0.02mA/cmと低く、良好な特性を示した。またガス透気度、貫通方向抵抗もそれぞれ良好であった。評価結果を表1に示した。 The short-circuit current density of the obtained porous electrode substrate was as low as 0.02 mA / cm 2 , indicating good characteristics. The gas permeability and penetration direction resistance were also good. The evaluation results are shown in Table 1.

〔比較例1〕
フェノール樹脂の不揮発分を60質量部としたこと以外は実施例1と同様にして、厚みが170μm、嵩密度が、0.28g/cmの炭素短繊維が樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.28g/cmである)。多孔質電極基材の樹脂炭化物(C)の含有率は27%であった。
[Comparative Example 1]
A porous electrode in which carbon short fibers having a thickness of 170 μm and a bulk density of 0.28 g / cm 3 are bound with a resin carbide except that the nonvolatile content of the phenol resin is 60 parts by mass. A base material was obtained (the obtained porous electrode base material had no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm was 0.28 g / cm 3 ). The resin carbide (C) content of the porous electrode substrate was 27%.

得られた多孔質電極基材のガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であったが、短絡電流密度は0.11mA/cmと高くなった。評価結果を表1に示した。 The obtained porous electrode substrate had good gas permeability and penetration direction resistance, but the short-circuit current density was as high as 0.11 mA / cm 2 . The evaluation results are shown in Table 1.

〔比較例2〕
フェノール樹脂の含浸しなかった以外は実施例9と同様にして、厚みが170μm、嵩密度が、0.27g/cmの炭素短繊維が網目状炭素繊維で結着した多孔質電極基材を得た(得られた多孔質電極基材は厚み方向に嵩密度の変化がなく、表面から厚さ30μmまでの嵩密度は0.27g/cmである)。多孔質電極基材の網目状炭素繊維(B)の含有率は17%であった。
[Comparative Example 2]
A porous electrode base material in which carbon short fibers having a thickness of 170 μm and a bulk density of 0.27 g / cm 3 are bound with reticulated carbon fibers in the same manner as in Example 9 except that no phenol resin was impregnated. (The obtained porous electrode base material has no change in bulk density in the thickness direction, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0.27 g / cm 3 ). The content of reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 17%.

得られた多孔質電極基材のガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であったが、短絡電流密度は0.15mA/cmと高くなった。評価結果を表1に示した。 Although the gas permeability and penetration direction resistance of the obtained porous electrode substrate were good, the short-circuit current density was as high as 0.15 mA / cm 2 . The evaluation results are shown in Table 1.

Claims (2)

炭素短繊維を網目状炭素繊維及び/又は樹脂炭化物で結着した多孔質電極基材であって、前記多孔質電極基材の少なくとも片方の面において、表面から厚さ30μmまでの嵩密度が0.30g/cm以上である多孔質電極基材。 A porous electrode base material in which short carbon fibers are bound with reticulated carbon fibers and / or resin carbide, and the bulk density from the surface to a thickness of 30 μm is 0 on at least one surface of the porous electrode base material. A porous electrode base material of 30 g / cm 3 or more. 以下の実験条件にて測定した短絡電流密度が0.1mA/cm以下である多孔質電極基材。
<実験条件>
(1)パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(ナフィオンNR211:デュポン(株):膜厚:25μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を、カソード用、アノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合して燃料電池用膜−電極接合体(MEA)を得る。
(2)前記MEAを、JARI標準セル付属の蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、面圧が1.0MPaとなるように締結し、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成する。
(3)得られた単セルの両極に端子を接続し、デジタルマルチメーターTR6487(アドバンテスト社製)を使用して電極間の電位差は1.0Vとし、短絡電流密度を測定する。
The porous electrode base material whose short circuit current density measured on the following experimental conditions is 0.1 mA / cm < 2 > or less.
<Experimental conditions>
(1) A catalyst layer comprising catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50% by mass) on both sides of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (Nafion NR211: DuPont Co., Ltd .: film thickness: 25 μm) A laminate formed with (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) is sandwiched between porous electrode base materials for cathode and anode, and these are joined to form a membrane for a fuel cell -Obtain an electrode assembly (MEA).
(2) The MEA is sandwiched between two carbon separators having a bellows-like gas flow path attached to a JARI standard cell and fastened so that the surface pressure becomes 1.0 MPa. A solid polymer fuel cell (single cell) ).
(3) Terminals are connected to both electrodes of the obtained single cell, and the potential difference between the electrodes is set to 1.0 V using a digital multimeter TR6487 (manufactured by Advantest), and the short-circuit current density is measured.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014148449A (en) * 2013-02-01 2014-08-21 Mitsubishi Rayon Co Ltd Porous electrode substrate precursor sheet, method for producing the same, porous electrode substrate, membrane-electrode assembly, and solid polymer type fuel cell
JP2014239028A (en) * 2013-05-08 2014-12-18 三菱レイヨン株式会社 Porous carbon electrode
JP2015071508A (en) * 2013-10-03 2015-04-16 三菱レイヨン株式会社 Method of producing porous electrode substrate
WO2019049934A1 (en) * 2017-09-07 2019-03-14 東洋紡株式会社 Gas diffusion layer base material for fuel cells, gas diffusion layer for fuel cells, and fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014148449A (en) * 2013-02-01 2014-08-21 Mitsubishi Rayon Co Ltd Porous electrode substrate precursor sheet, method for producing the same, porous electrode substrate, membrane-electrode assembly, and solid polymer type fuel cell
JP2014239028A (en) * 2013-05-08 2014-12-18 三菱レイヨン株式会社 Porous carbon electrode
JP2015071508A (en) * 2013-10-03 2015-04-16 三菱レイヨン株式会社 Method of producing porous electrode substrate
WO2019049934A1 (en) * 2017-09-07 2019-03-14 東洋紡株式会社 Gas diffusion layer base material for fuel cells, gas diffusion layer for fuel cells, and fuel cell
JPWO2019049934A1 (en) * 2017-09-07 2020-10-15 東洋紡株式会社 Gas diffusion layer base material for fuel cells, gas diffusion layer for fuel cells, fuel cells

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