JP2015071508A - Method of producing porous electrode substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に用いられる多孔質電極基材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a porous electrode substrate used for a fuel cell and a method for producing the same.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子電解質膜を用いることを特徴としており、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化ガスを電気化学的に反応させることにより起電力を得る装置である。固体高分子型燃料電池は、自家発電装置や自動車等の移動体用の発電装置として利用可能である。 A polymer electrolyte fuel cell is characterized by using a proton-conducting polymer electrolyte membrane, and is an apparatus for obtaining an electromotive force by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen. is there. The polymer electrolyte fuel cell can be used as a power generator for a mobile body such as a private power generator or an automobile.
このような固体高分子型燃料電池は、水素イオン(プロトン)を選択的に伝導する高分子電解質膜を有する。また、この燃料電池は、貴金属系触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層とガス拡散電極基材とを有する2組のガス拡散電極が、その各触媒層側を内側にして、高分子電解質膜の両面に接合された構造を有する。 Such a polymer electrolyte fuel cell has a polymer electrolyte membrane that selectively conducts hydrogen ions (protons). Further, this fuel cell has two gas diffusion electrodes each having a catalyst layer mainly composed of carbon powder supporting a noble metal catalyst and a gas diffusion electrode base material, with each catalyst layer side facing inward. It has a structure bonded to both surfaces of the molecular electrolyte membrane.
このような高分子電解質膜と2組のガス拡散電極からなる接合体は膜−電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。また、MEAの両外側には、燃料ガスまたは酸化ガスを供給し、かつ生成ガスおよび過剰ガスを排出することを目的とするガス流路を形成したセパレーターが設置されている。 Such a joined body composed of a polymer electrolyte membrane and two sets of gas diffusion electrodes is called a membrane-electrode assembly (MEA). Further, on both outer sides of the MEA, separators are provided in which gas flow paths for supplying fuel gas or oxidizing gas and for discharging generated gas and excess gas are formed.
ガス拡散電極基材は、電気的な接触抵抗を低減し、かつセパレーターから供給される燃料ガスまたは酸化ガスの燃料電池外への漏出を抑制することを目的として、セパレーターによって数MPaの荷重で締結されるため、機械的強度が必要とされる。 The gas diffusion electrode base material is fastened with a load of several MPa by a separator for the purpose of reducing electrical contact resistance and suppressing leakage of fuel gas or oxidizing gas supplied from the separator to the outside of the fuel cell. Therefore, mechanical strength is required.
また、ガス拡散電極基材は、主に次の3つの機能を持つ必要があることから、通常は、多孔質構造を有する多孔質電極基材である。ガス拡散電極基材に要求される第一の機能は、その外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路から触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第2の機能は、触媒層での反応により生成した水を排出する機能である。第3の機能は、触媒層での反応に必要な電子または触媒層での反応により生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。そして、これらの機能を付与するため、一般的に、ガス拡散電極基材は炭素質材料であることが有効とされている。 Further, since the gas diffusion electrode base material mainly needs to have the following three functions, it is usually a porous electrode base material having a porous structure. The first function required of the gas diffusion electrode base material is a function of supplying the fuel gas or the oxidizing gas uniformly to the noble metal catalyst in the catalyst layer from the gas flow path formed in the separator disposed on the outside thereof. is there. The second function is a function of discharging water generated by the reaction in the catalyst layer. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction in the catalyst layer or electrons generated by the reaction in the catalyst layer to the separator. And in order to provide these functions, it is generally effective that the gas diffusion electrode base material is a carbonaceous material.
ガス拡散電極基材は、一般的に、炭素質材料から構成されており、以下に示すガス拡散電極基材が提案されている。 The gas diffusion electrode substrate is generally made of a carbonaceous material, and the following gas diffusion electrode substrate has been proposed.
バインダーとしての有機高分子化合物と炭素繊維とからなり、該炭素繊維が平均直径5μm未満かつ平均繊維長が3〜10mmの細繊維を含む炭素繊維紙に、熱硬化性樹脂を含浸し、加熱加圧により該熱硬化性樹脂を硬化し、次いで炭素化する燃料電池用多孔質炭素電極基材の製造方法、さらに、前記炭素化を炭素繊維紙の全長にわたって連続して行う燃料電池用多孔質炭素電極基材の製造方法が提案されている。(特許文献1参照)。 A carbon fiber paper comprising an organic polymer compound as a binder and carbon fibers, the carbon fibers containing fine fibers having an average diameter of less than 5 μm and an average fiber length of 3 to 10 mm, is impregnated with a thermosetting resin and heated. A method for producing a porous carbon electrode base material for a fuel cell, wherein the thermosetting resin is cured by pressure and then carbonized, and further, porous carbon for a fuel cell in which the carbonization is continuously performed over the entire length of the carbon fiber paper A method for manufacturing an electrode substrate has been proposed. (See Patent Document 1).
目付が15 〜60g/m2の範囲内にある、実質的に二次元平面内において無作為な方向に分散せしめられた炭素短繊維と、目付が13〜150g/m2の範囲内にある熱硬化性樹脂とを含む帯状の複合シートを、不活性雰囲気に保たれた加熱炉内を連続的に走行せしめながら10〜1000℃/分の範囲内の速度で少なくとも1200℃ まで昇温し、焼成して熱硬化性樹脂を炭素化した後、ロール状に巻き取ることを特徴とする多孔質炭素電極基材の製造方法が提案されている。(特許文献2参照)。 Basis weight is within the range of 15 to 60 g / m 2, substantially heat that the short carbon fibers were dispersed in random directions in a two-dimensional plane, in a range having a basis weight of 13~150g / m 2 A belt-shaped composite sheet containing a curable resin is heated to at least 1200 ° C. at a rate in the range of 10 to 1000 ° C./min while being continuously run in a heating furnace maintained in an inert atmosphere, and then fired. Then, after carbonizing the thermosetting resin, a method for producing a porous carbon electrode base material, which is wound up in a roll shape, has been proposed. (See Patent Document 2).
また低コスト化を目的として、炭素短繊維(A)と平均径5μm以下の炭素繊維前駆体短繊維(b)とが分散した前駆体シートを製造する工程(1)、及び、この前駆体シートを1000℃以上の温度で炭素化処理する工程(2)を有する多孔質電極基材の製造方法。製造方法が提案されている(特許文献3参照)。 For the purpose of cost reduction, a step (1) for producing a precursor sheet in which short carbon fibers (A) and short carbon fiber precursor fibers (b) having an average diameter of 5 μm or less are dispersed, and this precursor sheet. The manufacturing method of the porous electrode base material which has the process (2) which carbonizes at a temperature of 1000 degreeC or more. A manufacturing method has been proposed (see Patent Document 3).
特許文献1に開示されている多孔質炭素電極基材の炭素化は不活性処理雰囲気下にて1000〜3000℃の温度範囲で、炭素繊維紙の全長にわたって連続して焼成処理され、さらに不活性雰囲気下にて1000〜3000℃の温度範囲で焼成する炭素化処理の前に300〜800℃の程度の不活性雰囲気での焼成による前処理を行われる。これらの方法で得られる多孔質炭素電極基材は十分なガス拡散性と導電性を有するものの、この炭素化は一般的に1パスで行われるため生産性を高めることが困難であり、生産コストの低減が困難である。 Carbonization of the porous carbon electrode substrate disclosed in Patent Document 1 is continuously fired over the entire length of the carbon fiber paper in a temperature range of 1000 to 3000 ° C. in an inert treatment atmosphere, and further inert. A pretreatment by firing in an inert atmosphere of about 300 to 800 ° C. is performed before the carbonization treatment for firing in a temperature range of 1000 to 3000 ° C. in an atmosphere. Although the porous carbon electrode substrate obtained by these methods has sufficient gas diffusibility and conductivity, it is difficult to increase productivity because this carbonization is generally performed in one pass, and the production cost Is difficult to reduce.
特許文献2に開示されている多孔質電極基材は不活性雰囲気に保たれた加熱炉内を連続的に走行せしめながら10〜1000℃/分の範囲内の速度で少なくとも1200℃ まで昇温し、焼成して熱硬化性樹脂を炭素化され、さらに、800℃ までの温度域における昇温速度は、800℃ を超える温度域におけるそれよりも低くし、800℃ までの温度域における昇温速度を10〜800℃/分の範囲内としている。これらの方法で得られる多孔質炭素電極基材は十分なガス拡散性と導電性を有するものの、この炭素化においても、連続的炭素化するには加熱炉を十分な長さにし、かつ炉内での滞在時間が必要となるため、生産性を高めることが困難であり、生産コストの低減が困難である。 The porous electrode substrate disclosed in Patent Document 2 is heated to at least 1200 ° C. at a speed in the range of 10 to 1000 ° C./min while continuously running in a heating furnace maintained in an inert atmosphere. The thermosetting resin is carbonized by firing, and the temperature rising rate in the temperature range up to 800 ° C. is lower than that in the temperature range exceeding 800 ° C., and the temperature rising rate in the temperature range up to 800 ° C. Is in the range of 10 to 800 ° C./min. Although the porous carbon electrode base material obtained by these methods has sufficient gas diffusibility and conductivity, even in this carbonization, the heating furnace must be long enough for continuous carbonization and It is difficult to improve productivity and it is difficult to reduce production costs.
特許文献3に開示されている多孔質電極基材は炭素短繊維(A)と平均径5μm以下の炭素繊維前駆体短繊維(b)とが分散した前駆体シートを製造する工程(1)、及び、この前駆体シートを1000℃以上の温度で炭素化処理する工程(2)により製造される。これらの方法で得られる多孔質炭素電極基材は十分なガス拡散性と導電性を有し、かつ、樹脂の使用がないことより、炭素化工程前までの生産性が向上し、生産コストが低減できるものの、炭素化においては、特許文献1および特許文献2と同様に、連続的炭素化するには加熱炉を十分な長さにし、かつ炉内での滞在時間が必要となるため、生産性を高めることが困難であり、生産コストの低減が困難である。 The porous electrode substrate disclosed in Patent Document 3 is a step (1) for producing a precursor sheet in which short carbon fibers (A) and short carbon fiber precursor fibers (b) having an average diameter of 5 μm or less are dispersed, And it manufactures by the process (2) which carbonizes this precursor sheet | seat at the temperature of 1000 degreeC or more. The porous carbon electrode substrate obtained by these methods has sufficient gas diffusibility and conductivity, and since no resin is used, the productivity before the carbonization step is improved, and the production cost is reduced. Although it can be reduced, in carbonization, as in Patent Document 1 and Patent Document 2, the heating furnace must be long enough for continuous carbonization, and the residence time in the furnace is required. It is difficult to improve the performance, and it is difficult to reduce the production cost.
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極基材として用いる十分なガス拡散性と導電性を有するとともに、生産コスト低減に優れた多孔質電極基材の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a porous electrode substrate that has sufficient gas diffusibility and conductivity to be used as a gas diffusion electrode substrate of a polymer electrolyte fuel cell and is excellent in reducing production costs. And
本発明者等は、前記課題が、以下の発明[1]〜[10]によって解決されることを見出した。 The present inventors have found that the above problems are solved by the following inventions [1] to [10].
[1] 複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートを、600℃より高い温度の不活性雰囲気の炉を通過させて炭素化する多孔質電極基材の製造方法。 [1] A method for producing a porous electrode substrate, in which a plurality of porous electrode substrate precursor sheets are carbonized by passing through a furnace having an inert atmosphere at a temperature higher than 600 ° C.
[2]複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部が、接合一体化されている上記[1]に記載の多孔質電極基材の製造方法。 [2] The method for producing a porous electrode substrate according to the above [1], wherein one or both end portions in the width direction of the plurality of stacked porous electrode substrate precursor sheets are joined and integrated.
[3]
複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートを、600℃より高い温度の不活性雰囲気の炉を通過させて炭素化した後に、多孔質電極基材前駆体シートを炭素化して得られた多孔質電極基材の接合一体化された端部を切り落とし、複数枚に分割する工程(2)を有する上記[2]に記載の多孔質電極基材の製造方法。
[3]
Porous obtained by carbonizing the porous electrode base material precursor sheet after passing through a furnace in an inert atmosphere at a temperature higher than 600 ° C. The method for producing a porous electrode substrate according to the above [2], which comprises a step (2) of cutting off the joined and integrated end of the porous electrode substrate and dividing it into a plurality of pieces.
[4] 複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートを炭素化する前に、多孔質電極基材前駆体シートを250℃未満の温度で加熱加圧成型する工程(3)を有する上記[2]または[3]に記載の多孔質電極基材の製造方法。 [4] The above-mentioned [3], which includes a step (3) of heat-pressing the porous electrode substrate precursor sheet at a temperature of less than 250 ° C. before carbonizing the porous electrode substrate precursor sheet stacked in plural. [2] The method for producing a porous electrode substrate according to [3].
[5] 工程(3)と炭素化との間に、複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を250℃未満の温度で加熱加圧成型し接合一体化する工程(4)を有する上記[4]に記載の多孔質電極基材の製造方法。 [5] Between step (3) and carbonization, one or both ends in the width direction of the laminated porous electrode base material precursor sheet are heated and pressed at a temperature of less than 250 ° C. and bonded. The method for producing a porous electrode substrate according to the above [4], comprising the step of integrating (4).
[6] 多孔質電極基材前駆体シートの接合一体化部分の幅の長さW1と、多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の長さW2との比が、20%未満である上記[2]〜[5]のいずれかに記載の多孔質電極基材の製造方法。 [6] The ratio of the width W1 of the joint-integrated portion of the porous electrode substrate precursor sheet to the width W2 in the width direction of the porous electrode substrate precursor sheet is less than 20%. The method for producing a porous electrode substrate according to any one of [2] to [5].
[7] 炭素化する前であって、工程(3)を有する場合は工程(3)の前に、炭素短繊維(A)を平面方向に分散させて多孔質電極基材前駆体シートを製造する工程(5)を有する上記[1]〜[6]のいずれかに記載の多孔質電極基材の製造方法。 [7] Before the carbonization and in the case of having the step (3), before the step (3), the carbon short fibers (A) are dispersed in the plane direction to produce a porous electrode substrate precursor sheet. The manufacturing method of the porous electrode base material in any one of said [1]-[6] which has the process (5) to do.
[8] 工程(5)において、炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)とを平面方向に分散させて多孔質電極基材前駆体シートを製造する上記[7]に記載の多孔質電極基材の製造方法。 [8] The process according to [7], wherein in the step (5), the short carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) are dispersed in a plane direction to produce a porous electrode substrate precursor sheet. A method for producing a porous electrode substrate.
[9] 工程(5)と炭素化との間であって、工程(3)を有する場合は工程(5)と工程(3)の間に、前記前駆体シートを交絡処理して3次元交絡構造とする工程(6)を有する上記[7]または[8]に記載の多孔質電極基材の製造方法。 [9] Between the step (5) and the carbonization, and when the step (3) is included, the precursor sheet is entangled between the step (5) and the step (3) to perform a three-dimensional entanglement. The method for producing a porous electrode substrate according to the above [7] or [8], which comprises the step (6) of making a structure.
[10] 炭素化の前に、多孔質電極基材前駆体シートに炭素化可能な樹脂(c)を含浸させる工程(7)を有する上記[4]のいずれかに記載の多孔質電極基材の製造方法。 [10] The porous electrode substrate according to any one of the above [4], which has a step (7) of impregnating a porous electrode substrate precursor sheet with a carbonizable resin (c) before carbonization. Manufacturing method.
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極基材として用いる十分なガス拡散性と導電性を有するとともに、生産コストを低減した多孔質電極基材の製造方法を提供することができる。 The present invention can provide a method for producing a porous electrode substrate that has sufficient gas diffusibility and conductivity to be used as a gas diffusion electrode substrate of a polymer electrolyte fuel cell, and has reduced production costs.
<多孔質電極基材前駆体シート>
多孔質電極基材前駆体シートは、後述する炭素短繊維(A)を分散させたものであり、後述する前駆体繊維(b)やシート化バインダーとあわせて分散させてもよい。またこの多孔質電極基材前駆体シート3次元交絡構造を形成しても形成していなくても良い。3次元交絡構造を形成するための交絡処理に関しては後述する。
<Porous electrode substrate precursor sheet>
The porous electrode substrate precursor sheet is obtained by dispersing short carbon fibers (A) described later, and may be dispersed together with a precursor fiber (b) described later and a sheet binder. The porous electrode base material precursor sheet three-dimensional entangled structure may or may not be formed. The entanglement process for forming the three-dimensional entangled structure will be described later.
<多孔質電極基材>
本発明により得られる多孔質電極基材は、(i)炭素短繊維(A)同士が、後述する樹脂炭化物(C)によって接合された構造、(ii)炭素短繊維(A)同士が、後述する網目状炭素繊維(B)によって接合された構造、(iii)炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって十分に結着されかつ、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、のいずれかの構造を有する。
<Porous electrode substrate>
The porous electrode substrate obtained by the present invention has (i) a structure in which carbon short fibers (A) are joined together by a resin carbide (C) described later, and (ii) carbon short fibers (A) are described later. (Iii) carbon short fibers (A) are sufficiently bound together by network carbon fibers (B), and carbon short fibers are formed by resin carbide (C). (A) and a structure in which carbon short fibers (A) and reticulated carbon fibers (B) are sufficiently bound to each other.
多孔質電極基材の形状は、燃料電池の分野で公知の形状から必要に応じて選択することができ、例えば、平板状、渦巻き状等の形状をとることができる。シート状の多孔質電極基材の目付は、ガス透気度とハンドリング性の観点から15g/m2以上、100g/m2以下が好ましい。また、シート状の多孔質電極基材の空隙率は、ガス透気度と導電性の観点から50%以上、90%以下が好ましい。さらに、シート状の多孔質電極基材の厚みは、ガス透気度、導電性とハンドリング性の観点から50μm以上、300μm以下が好ましい。また、シート状の多孔質電極基材のうねりは、5mm未満が好ましい。 The shape of the porous electrode substrate can be selected as necessary from known shapes in the field of fuel cells. For example, it can take a flat shape, a spiral shape, or the like. The basis weight of the sheet-like porous electrode substrate is preferably 15 g / m 2 or more and 100 g / m 2 or less from the viewpoint of gas permeability and handling properties. Further, the porosity of the sheet-like porous electrode substrate is preferably 50% or more and 90% or less from the viewpoint of gas permeability and conductivity. Furthermore, the thickness of the sheet-like porous electrode substrate is preferably 50 μm or more and 300 μm or less from the viewpoints of gas permeability, conductivity and handling properties. The waviness of the sheet-like porous electrode substrate is preferably less than 5 mm.
多孔質電極基材のガス透気度は、500ml/hr/cm2/mmAq以上、2000
0ml/hr/cm2/mmAq以下であることが好ましい。
The gas air permeability of the porous electrode substrate is 500 ml / hr / cm 2 / mmAq or more, 2000
It is preferably 0 ml / hr / cm 2 / mmAq or less.
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・cm2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。 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)>
前駆体シートに分散させた炭素短繊維(A)は、本発明の多孔質電極基材を構成する繊維の1つとなる。炭素短繊維(A)としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(以下「PAN系炭素繊維」と称する。)、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等の炭素繊維を所定の繊維長に切断したものが挙げられる。多孔質電極基材の機械的強度の観点から、PAN系炭素繊維が好ましい。
<Short carbon fiber (A)>
The short carbon fiber (A) dispersed in the precursor sheet is one of the fibers constituting the porous electrode substrate of the present invention. Examples of the short carbon fibers (A) include carbon fibers such as polyacrylonitrile-based carbon fibers (hereinafter referred to as “PAN-based carbon fibers”), pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers cut to a predetermined fiber length. Things. From the viewpoint of the mechanical strength of the porous electrode substrate, PAN-based carbon fibers are preferred.
炭素短繊維(A)の平均繊維長は、分散性の点から、2mm以上12mm以下とすることが好ましく、2mm以上9mm以下とすることがより好ましい。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。 The average fiber length of the short carbon fibers (A) is preferably 2 mm or more and 12 mm or less, and more preferably 2 mm or more and 9 mm or less from the viewpoint of dispersibility. The average fiber length can be measured with an optical microscope and an electron microscope.
また、炭素短繊維(A)の平均繊維径は、炭素短繊維の生産コストおよび分散性の面から、3μm以上9μm以下とすることが好ましく、多孔質電極基材の平滑性の面から、4μm以上8μm以下とすることがより好ましい。なお、平均繊維径は、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。 Further, the average fiber diameter of the short carbon fibers (A) is preferably 3 μm or more and 9 μm or less from the viewpoint of production cost and dispersibility of the short carbon fibers, and 4 μm from the viewpoint of smoothness of the porous electrode substrate. More preferably, it is 8 μm or less. The average fiber diameter can be measured with an optical microscope and an electron microscope.
多孔質電極基材を構成する1つの繊維である炭素短繊維(A)は、多孔質電極基材中において分散している。ここで、「多孔質電極基材中において分散」とは、炭素短繊維(A)が、シート状の多孔質電極基材の表面に略平行に存在していても、多孔質電極基材の厚み方向に存在していても良いことを意味する。 The short carbon fibers (A), which are one fiber constituting the porous electrode substrate, are dispersed in the porous electrode substrate. Here, “dispersed in the porous electrode base material” means that the short carbon fiber (A) is present in the porous electrode base material even if the short carbon fiber (A) is substantially parallel to the surface of the sheet-like porous electrode base material. It means that it may exist in the thickness direction.
また、このシート状の多孔質電極基材の表面に対して略平行な炭素短繊維(A)の配向方向は、実質的にランダムであっても良く、特定方向への配向性が高くなっていても良い。 Further, the orientation direction of the short carbon fibers (A) substantially parallel to the surface of the sheet-like porous electrode substrate may be substantially random, and the orientation in a specific direction is high. May be.
炭素短繊維(A)は、多孔質電極基材中においてほぼ直線状を保って存在している。また、多孔質電極基材中において、炭素短繊維(A)同士は直接結合しておらず、網目状炭素繊維(B)によって接合されている。 The short carbon fibers (A) are present in a substantially linear shape in the porous electrode substrate. Further, in the porous electrode substrate, the short carbon fibers (A) are not directly bonded to each other, but are joined by the network carbon fibers (B).
<網目状炭素繊維(B)>
網目状炭素繊維(B)は、前駆体シート中に分散させた前駆体繊維(b)が炭素化処理されたものである。
<Reticulated carbon fiber (B)>
The reticulated carbon fiber (B) is obtained by carbonizing the precursor fiber (b) dispersed in the precursor sheet.
網目状炭素繊維(B)は、炭素短繊維(A)同士を接合する繊維であり、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する。それにより網目構造を形成する。多孔質電極基材における網目状炭素繊維(B)の含有率は、多孔質電極基材の適度な機械的強度を容易に保つため、10質量%以上、90質量%以下であることが好ましく、15質量%以上80質量%以下であることがより好ましい。 The net-like carbon fiber (B) is a fiber that joins the short carbon fibers (A) to each other, and exists in a bent or curved state at the joint. Thereby, a network structure is formed. The content of the reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less in order to easily maintain an appropriate mechanical strength of the porous electrode substrate. More preferably, it is 15 mass% or more and 80 mass% or less.
<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。好ましくはフィブリル状炭素前駆体繊維(b2)である。
<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. A fibrillar carbon precursor fiber (b2) is preferred.
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.
<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られる。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、および後述する加熱加圧成型する工程で熱可塑性を示し、炭素短繊維(A)同士を接着できる点を考慮すると、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. The short carbon fiber (A) can be bonded to each other from spinnability and low temperature to high temperature, the point that the residual mass at the time of carbonization is large, the fiber elasticity when performing the entanglement treatment described later, the fiber strength, and the later described In view of the fact that it exhibits thermoplasticity in the step of heat and pressure molding and can bond the short carbon fibers (A), 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)との混合比など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. In the porous electrode substrate finally obtained by these carbon fiber precursor short fibers (b1), the kind of fibrillar carbon precursor fibers (b2) to be described later, the mixing ratio with carbon short fibers (A), etc. The ratio which remains as a mesh-like carbon fiber (B) 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 many 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 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、および後述する加熱加圧成型する工程で熱可塑性を示し、炭素短繊維(A)同士を接着できる点を考慮すると、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. Spinnability and short carbon fiber (A) can be joined to each other from low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization is large, entanglement with short carbon fiber (A), sheet strength, and heating described later In view of the fact that it shows thermoplasticity in the step of pressure molding and can bond the short carbon fibers (A), it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile 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。
<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、および後述する加熱加圧成型する工程で熱可塑性を示し、炭素短繊維(A)同士を接着できる点を考慮すると、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。
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.
<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, the short carbon fiber (A) can be bonded to each other from spinnability and low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization is large, and further, the entanglement with the short carbon fiber (A), the sheet strength, and the below-mentioned In view of the fact that it shows thermoplasticity in the step of heat and pressure molding and can bond the short carbon fibers (A), it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile units. 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. This makes it easy to prevent other polymers from dissolving in water and falling off in a coagulation tank and a washing tank when wet spinning. be able to.
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/または、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、後述する炭素化可能な樹脂(c)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。
<Resin carbide (C)>
The resin carbide is a carbide that binds between the short carbon fibers (A) and / or between the short carbon fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B), and a carbonizable resin (c) described later is used. A carbon material obtained by carbonization by heating can be used.
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.
<炭素化可能な樹脂(c)>
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/または炭素短繊維(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。
<Carbonizable resin (c)>
As the resin (c) that can be carbonized by heating, the carbon short fibers (A) and / or the carbon short fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B) may be bound at the stage of carbonization. It can be used by appropriately selecting from known known 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.
<シート化バインダー>
シート化バインダーは有機高分子化合物からなり、このシート化バインダーは、炭素短繊維(A)単体または、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。このシート化バインダーとしては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等を用いることができる。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、また、前駆体シートを後述する加熱加圧成型する工程した際に熱可塑性を示し、炭素短繊維(A)を接着することができるポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。本発明では、このシート化バインダーを繊維形状や、パルプ形状にして用いることも可能である。
<Sheet binder>
The sheeted binder is composed of an organic polymer compound, and this sheeted binder is composed of carbon short fibers (A) alone or a precursor sheet containing carbon short fibers (A) and precursor fibers (b). It serves as a binder (glue) that holds As this sheet-forming binder, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate, polyolefin such as polyethylene and polypropylene, polyester such as polyethylene terephthalate, and the like can be used. Excellent binding power in the papermaking process, and short carbon fibers are not easily dropped. Polyvinyl alcohol, and when the precursor sheet is heated and pressed as described later, exhibits thermoplasticity, and carbon short fibers (A) Polyethylene and polyethylene terephthalate capable of adhering are preferable. In the present invention, the sheet-like binder can be used in a fiber shape or a pulp shape.
また、このシート化バインダーは、後述する炭素化工程において、炭素質として残存する割合が10質量%以下と低く、たとえ炭素質として残存したとしても、炭素化工程前の形状を保持することができず、多孔質電極基材中の炭素短繊維(A)同士および網目状炭素繊維(B)間とを結着するのに十分な強度を有しない。 In addition, this sheet-forming binder has a low carbon mass ratio of 10% by mass or less in the carbonization process described later, and can retain the shape before the carbonization process even if it remains as carbonaceous. The carbon short fibers (A) and the network carbon fibers (B) in the porous electrode substrate do not have sufficient strength to bind.
<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。
<Method for producing porous electrode substrate>
The present invention includes the following steps.
工程(1):複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートを、600℃より高い温度の不活性雰囲気の炉を通過させて炭素化する工程
複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートは、幅方向の片方または両方の端部が、接合一体化されていることが好ましい。
Step (1): A step of carbonizing a plurality of stacked porous electrode substrate precursor sheets through a furnace in an inert atmosphere at a temperature higher than 600 ° C. A plurality of stacked porous electrode substrate precursor sheets It is preferable that one or both ends in the width direction are joined and integrated.
工程(2):幅方向の片方または両方の端部が接合一体化された多孔質電極基材前駆体シートを炭素化して得られた多孔質電極基材の接合一体化された端部を切り落とし、複数枚に分割する工程。工程(2)は、工程(1)の後に位置する。 Step (2): The joined and integrated end portion of the porous electrode substrate obtained by carbonizing the porous electrode substrate precursor sheet in which one or both ends in the width direction are joined and integrated is cut off. The process of dividing into a plurality of sheets. Step (2) is located after step (1).
工程(3):多孔質電極基材前駆体シートを250℃未満の温度で加熱加圧成型する工程。この工程(3)は、工程(1)の前に位置する。 Step (3): A step of heat-press molding the porous electrode substrate precursor sheet at a temperature of less than 250 ° C. This step (3) is located before step (1).
工程(4):複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を250℃未満の温度で加熱加圧成型し接合一体化する工程。この工程により、複数枚重ねあわせた多孔質電極基材シートが接合一体化される。工程(4)は工程(3)と工程(1)の間に位置する。 Step (4): A step in which one or both ends in the width direction of a plurality of stacked porous electrode base material precursor sheets are heated and pressed at a temperature of less than 250 ° C. to join and integrate. By this step, a plurality of the porous electrode substrate sheets that are overlapped are joined and integrated. Step (4) is located between step (3) and step (1).
工程(5):炭素短繊維(A)を平面方向に分散させて多孔質電極基材前駆体シートを製造する工程。工程(5)は、工程(1)の前に位置し、工程(3)を有する場合は工程(3)よりも前に位置する。 Step (5): A step of producing a porous electrode substrate precursor sheet by dispersing the short carbon fibers (A) in the plane direction. A process (5) is located before a process (1), and when it has a process (3), it is located before a process (3).
工程(6):工程(5)において得られた前駆体シートを交絡処理して3次元交絡構造とする工程。工程(6)は工程(5)と工程(1)の間に位置し、工程(3)を有する場合は、工程(5)と工程(3)の間に位置する。 Step (6): A step in which the precursor sheet obtained in step (5) is entangled to form a three-dimensional entangled structure. Step (6) is located between step (5) and step (1), and when it has step (3), it is located between step (5) and step (3).
工程(7):多孔質電極基材前駆体シートに炭素化可能な樹脂(c)を含浸させる工程。
工程(7)は、工程(1)の前に位置する。工程(3)を有している場合、工程(3)の前であっても、工程(3)の後であってもよい。
Step (7): A step of impregnating the porous electrode substrate precursor sheet with a carbonizable resin (c).
Step (7) is located before step (1). When it has a process (3), it may be before a process (3) or after a process (3).
以下に各工程を詳しく説明する。 Each step will be described in detail below.
<炭素化処理する工程(1)>
工程(1)により、前駆体繊維(b)は、炭素短繊維(A)と融着し、かつ前駆体繊維(b)は炭素化され、網目状炭素繊維(B)となる。また炭素化可能な樹脂(c)は、炭炭素短繊維(A)間および/または炭素短繊維(A)と網目状炭素繊維(B)間とを結着する樹脂炭化物(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 carbonization treatment (1)>
Through the step (1), the precursor fiber (b) is fused with the short carbon fiber (A), and the precursor fiber (b) is carbonized to become a reticulated carbon fiber (B). The carbonizable resin (c) is a resin carbide (C) that binds between the carbon short carbon fibers (A) and / or between the carbon short fibers (A) and the network carbon fibers (B). 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600℃以上の温度で行なわれる。炭素化処理する温度範囲は、600〜3000℃が好ましく、1000〜2200℃がより好ましい。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 600 ° C. or higher. The temperature range for carbonization treatment is preferably 600 to 3000 ° C, more preferably 1000 to 2200 ° C. Further, before the carbonization treatment, pretreatment by firing in an inert atmosphere of about 300 to 800 ° C. can be performed.
製造コスト低減化の観点から、連続的に製造された前駆体シートを600℃超える温度の不活性雰囲気の炉を通過させ、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。 From the viewpoint of reducing the production cost, it is preferable that the continuously produced precursor sheet is passed through an inert atmosphere furnace having a temperature exceeding 600 ° C., and the carbonization treatment is continuously performed over the entire length of the precursor sheet. 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.
また炭素化工程を連続的に行う際には、前駆体シートは炉内の投入される前の室温から炉内の最高温度まで昇温されるが、急激な温度変化による炭素化する前駆体繊維(b)や樹脂(c)の急激な構造変化を抑制し、得られる多孔質電極基材の機械的強度および導電性を発現させる観点より、このときの昇温速度は2000℃/min以下が好ましい。また、得られる多孔質電極基材の機械的強度および導電性を発現させる観点より、炉内の最高温度での滞在時間は15秒〜1時間程度が好ましい。さらに、連続的に製造する際の製造コスト低減の観点より、炉内の最高温度での滞在時間は15秒〜2分がより好ましい。 In addition, when the carbonization process is continuously performed, the precursor sheet is heated from room temperature before being charged into the furnace to the maximum temperature in the furnace, but is a precursor fiber that carbonizes due to a rapid temperature change. From the viewpoint of suppressing the rapid structural change of (b) and the resin (c) and exhibiting the mechanical strength and conductivity of the resulting porous electrode substrate, the rate of temperature increase at this time is 2000 ° C./min or less. preferable. Further, from the viewpoint of expressing the mechanical strength and conductivity of the porous electrode substrate to be obtained, the residence time at the maximum temperature in the furnace is preferably about 15 seconds to 1 hour. Furthermore, from the viewpoint of reducing manufacturing costs when continuously manufacturing, the residence time at the maximum temperature in the furnace is more preferably 15 seconds to 2 minutes.
したがって、連続的な炭素化を生産性を向上させ、かつ低コストで実現するためには、急激な温度上昇を抑制し、かつ、炉内の最高温度での十分な炭素化を実施するために、600℃を超える温度の不活性雰囲気の炉を通過させ炭素化する際に、複数枚重ねた前駆体シートを用いることが好ましい。前駆体シートの枚数は、重ね合わせた厚み方向の伝熱を十分におこない、複数枚の前駆体シートが同様の炭素化が行われる観点より、2枚〜6枚が好ましい。 Therefore, in order to achieve continuous carbonization with improved productivity and low cost, to suppress rapid temperature rise and to perform sufficient carbonization at the highest temperature in the furnace When carbonizing by passing through an inert atmosphere furnace having a temperature exceeding 600 ° C., it is preferable to use a plurality of precursor sheets. The number of the precursor sheets is preferably 2 to 6 from the viewpoint of sufficiently performing heat transfer in the stacked thickness direction and performing the same carbonization on the plurality of precursor sheets.
また、炭素化工程前後での前駆体シートの送り出し、巻出しが簡略化でき、製造コストを低減できる観点より、複数枚重ねた前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を接合一体化することが好ましい。複数枚重ねた前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を接合一体化する方法は、後述する幅方向の片方または両方の端部を加熱加圧成型し接合一体化する方法や、耐熱性の接着剤で接合一体化する方法、耐熱性の繊維を用いて縫合し接合一体化する方法などが挙げられるが、生産コスト低減の観点より、幅方向の片方または両方の端部を加熱加圧成型し接合一体化する方法が好ましい。 Also, from the viewpoint of simplifying the feeding and unwinding of the precursor sheet before and after the carbonization process and reducing the manufacturing cost, one or both ends in the width direction of the stacked precursor sheets are joined and integrated. It is preferable to do. The method of joining and integrating one or both end portions in the width direction of the precursor sheets that are stacked in multiple layers is a method in which one or both end portions in the width direction, which will be described later, are heat-press molded and joined and integrated, For example, a method of joining and integrating with a heat-resistant adhesive and a method of stitching and integrating with heat-resistant fibers can be used, but from the viewpoint of reducing production costs, one or both ends in the width direction are heated. The method of pressure forming and joining and integrating is preferable.
<複数枚に分割する工程(2)>
工程(1)の後に、複数枚重ねた多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を接合一体化した多孔質電極基材前駆体シートを炭素化した多孔質電極基材の接合一体化された端部を切り落とし、複数枚に分割する工程(2)は、幅方向の片方または両方の端部が接合一体化された多孔質電極基材の端部をロール刃などにより連続的にスリットし、複数枚に分割し、さらに分割された多孔質電極基材をそれぞれ連続的に巻き取ることが生産コスト低減の観点より好ましい。連続的にスリットし、切り落とす多孔質電極基材の幅は、接合一体化された部分と同等の幅以上であれば良く、歩留まりを向上させ、生産コストを低減する観点より、接合一体化された部分と同等が好ましい。
<Step of dividing into multiple sheets (2)>
After step (1), a porous electrode substrate obtained by carbonizing a porous electrode substrate precursor sheet obtained by joining and integrating one or both ends in the width direction of a plurality of stacked porous electrode substrate precursor sheets In the step (2) of cutting off the end portion of the material joined and integrated and dividing it into a plurality of pieces, the end portion of the porous electrode base material in which one or both ends in the width direction are joined and integrated is a roll blade or the like From the viewpoint of reducing production costs, it is preferable to continuously slit, divide into a plurality of sheets, and continuously wind up the divided porous electrode substrates. The width of the porous electrode base material to be continuously slit and cut off should be equal to or greater than the width of the joined and integrated part, and from the viewpoint of improving the yield and reducing the production cost, it was joined and integrated. Equivalent to the part is preferred.
<加熱加圧成型する工程(3)>
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)によって十分に結着された構造体、または炭素短繊維(A)同士が、樹脂炭化物(C)によって十分に結着された構造体、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)によって十分に結着されかつ、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、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250℃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 (3)>
The porous electrode base material is a structure in which short carbon fibers (A) dispersed in a structure are sufficiently bound by network carbon fibers (B), or short carbon fibers (A) are The structure sufficiently bound by the resin carbide (C), or the short carbon fibers (A) dispersed in the structure are sufficiently bound by the network carbon fiber (B), and the resin carbide ( C) a structure in which the short carbon fibers (A) and the short carbon fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B) are sufficiently bound, and the thickness unevenness of the porous electrode substrate is reduced. Therefore, it is preferable to heat and press mold the precursor sheet at a temperature of less than 250 ° 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。連続ロールプレス装置におけるプレス方法は、線圧で圧力を加える方法があり、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。 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. The press method in the continuous roll press apparatus includes a method of applying pressure with a linear pressure. The press method in the continuous belt press apparatus includes a method of applying pressure to the belt with a roll press using a linear pressure, and a surface pressure using a hydraulic head press. Examples include a pressing method.
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/または樹脂(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、250℃未満が好ましく、120〜250℃がより好ましい。 The temperature at the time of heat and pressure molding is sufficient to bond the short carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) and / or the resin (c), and the surface of the porous electrode substrate precursor sheet is effective. In order to make it smooth smoothly, less than 250 degreeC is preferable and 120-250 degreeC is more preferable.
加熱加圧成型時の圧力は特に限定されないが、10kPa〜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 10 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1秒〜10分とすることができる。前駆体シートを剛板に挟む、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, 1 second to 10 minutes. When the precursor sheet is sandwiched between rigid plates, or when heated and pressed by a continuous roll press device or a continuous belt press device, precursor fibers (b) and / or resin (c) are present on the rigid plate or roll or belt. In order not to adhere, it is preferable to apply a release agent in advance, or to sandwich the release paper 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 when one precursor sheet is molded during the heat and pressure molding, a plurality of precursor sheets may be superimposed and integrated.
また前駆体シートを加熱加圧成型する際のシート幅方向の加熱加圧成型幅は、前駆体シート全幅でも、幅方向の片方または両方の端部のみを除いた部分を成型しても良い。幅方向の片方または両方の端部のみを除いた部分を成型する際の加熱加圧成型幅は、多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の長さの80%以上であることが、生産コスト低減の観点より好ましい。 Further, the heat-pressure molding width in the sheet width direction when the precursor sheet is subjected to heat-pressure molding may be the entire width of the precursor sheet or a portion excluding only one or both ends in the width direction. The heat and pressure molding width when molding a portion excluding only one or both ends in the width direction is 80% or more of the length in the width direction of the porous electrode substrate precursor sheet. This is preferable from the viewpoint of cost reduction.
前駆体繊維(b)としてアクリル系ポリマーを用いた場合は、熱可塑挙動を示すアクリル系ポリマーの融着により成型が容易に可能となり、装置構造がシンプルなロールプレス装置を用いるのに適している。 When an acrylic polymer is used as the precursor fiber (b), it can be easily molded by fusing an acrylic polymer exhibiting thermoplastic behavior, and is suitable for use in a roll press apparatus having a simple apparatus structure. .
<加熱加圧成型し接合一体化する工程(4)>
加熱加圧成型し接合一体化する工程(4)は複数の前駆体シートを加熱加圧成型し接合一体化する工程であり、接合一体化された複数の前駆体シートは実質的に一枚の成型されたシート状物であり、炭素化処理する工程において、炉内に投入および炉内から取り出す際に単一の前駆体シートとして取り扱うことができる。
<Step of heat and pressure molding and bonding and integration (4)>
The step (4) of heat-pressure molding and joining and integration is a step of heat-press molding and joining and integrating the plurality of precursor sheets, and the plurality of precursor sheets joined and integrated are substantially one sheet. It is a molded sheet-like product, and can be handled as a single precursor sheet when charged into the furnace and taken out from the furnace in the step of carbonization treatment.
加熱加圧成型し接合一体化する工程(4)は上述した加熱加圧成型する工程(3)と同様の手法を用いることできる。また、加熱加圧成型する工程(3)で用いた成型法と同一であっても、異なる成型法を用いても良い。ただし、加熱加圧成型し接合一体化する工程(4)は成型される前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部のみを成型する必要がある。前駆体シートの幅方向の片方または両方の端部を250℃未満の温度で加熱加圧成型し接合一体化した幅の長さW1は、多孔質電極基材前駆体シートの幅方向の長さW2との比が、20%未満であることが生産コスト低減の観点より好ましい。 The step (4) for heat-pressure molding and joining and integration can use the same method as the above-described heat-pressure molding step (3). Moreover, even if it is the same as the molding method used in the step (3) for heat and pressure molding, a different molding method may be used. However, it is necessary to mold only one or both end portions in the width direction of the precursor sheet to be molded in the step (4) of heat-press molding and joining and integrating. One or both ends in the width direction of the precursor sheet are heat-press molded at a temperature of less than 250 ° C. and joined and integrated, and the width W1 is the length in the width direction of the porous electrode substrate precursor sheet. The ratio with W2 is preferably less than 20% from the viewpoint of reducing production costs.
接合一体化する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/または樹脂(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、250℃未満が好ましく、120〜250℃がより好ましい。 The temperature at the time of heat and pressure molding to be integrated is sufficient to bond the short carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) and / or the resin (c), and the porous electrode base material precursor sheet In order to effectively smooth the surface, the temperature is preferably less than 250 ° C, more preferably 120 to 250 ° C.
接合一体化する加熱加圧成型時の圧力は特に限定されないが、10kPa〜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という問題等が生じる可能性がある。 Although the pressure at the time of the heat-pressure molding which unites and integrates is not specifically limited, About 10kPa-10MPa is preferable. At this time, if the press pressure is increased more than necessary, there may be a problem such as a problem that the short carbon fibers (A) are destroyed at the time of heat and pressure molding.
接合一体化する加熱加圧成型の時間は、例えば1秒〜10分とすることができる。前駆体シートを剛板に挟む、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 of heat-pressure molding for joining and integration can be, for example, 1 second to 10 minutes. When the precursor sheet is sandwiched between rigid plates, or when heated and pressed by a continuous roll press device or a continuous belt press device, precursor fibers (b) and / or resin (c) are present on the rigid plate or roll or belt. In order not to adhere, it is preferable to apply a release agent in advance, or to sandwich the release paper between the precursor sheet and the rigid plate or roll or belt.
<前駆体シートを製造する工程(5)>
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)単体または、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーとを分散させて抄造する湿式法、空気中に炭素短繊維(A)単体または、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーとを分散させて降り積もらせる乾式法、などのシート化方法を適用できる。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 (5)>
As a method for producing a precursor sheet, a wet carbon fiber (A) alone or a wet carbon fiber made by dispersing short carbon fibers (A), precursor fibers (b) and / or a sheeted binder in a liquid medium. A sheet forming method such as a carbon short fiber (A) alone or a dry method in which carbon short fibers (A) and precursor fibers (b) and / or sheet forming binder are dispersed in the air Applicable. However, it is preferable to use a wet method from the viewpoint of high uniformity of the sheet.
湿式法において、炭素短繊維(A)単体または、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーを分散させる媒体としては、例えば、水、アルコールなどの媒体が挙げられるが、生産性の観点から、水が好ましい。 In the wet method, examples of the medium for dispersing the carbon short fibers (A) alone or the carbon short fibers (A) and the precursor fibers (b) and / or the sheet-like binder include media such as water and alcohol. However, water is preferable from the viewpoint of productivity.
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、前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーを使用することが好ましい。 In order to help the carbon short fibers (A) to open into single fibers and prevent the opened single fibers from refocusing, the precursor fibers (b) and / or the sheeted binder may be used. preferable.
炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダー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)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーとを混合し、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 short carbon fiber (A) with the precursor fiber (b) and / or the sheet-formed binder include a method of stirring and dispersing in water and a method of directly mixing these, but a viewpoint of uniformly dispersing them. Therefore, a method of diffusing and dispersing in water is preferable. The strength of the precursor sheet is improved by mixing the short carbon fiber (A), the precursor fiber (b) and / or the sheet-forming binder, 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.
湿式法において、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し、さらに炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)とが絡み合ってシート強度を向上させ実質的にシート化バインダーを用いずにシート化するために、フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)を使用して、製造することが好ましい。 In the wet method, the short carbon fibers (A) are helped to open into single fibers, the opened single fibers are prevented from refocusing, and the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b) In order to improve the sheet strength by entangled with each other and form a sheet substantially without using a sheet-forming binder, it is preferable to use the fibrillar carbon precursor fiber (b2).
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/m2以上、200g/m2以下であることが好ましい。また、前駆体シートの厚みは、20μm以上、400μm以下であることが好ましい。 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. Moreover, it is preferable that the thickness of a precursor sheet | seat is 20 micrometers or more and 400 micrometers or less.
前駆体シートに用いる前駆体繊維(b)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。 The precursor fiber (b) used for the precursor sheet is a reticulated carbon fiber (in the finally obtained porous electrode substrate (depending on the type, mixing ratio with the short carbon fiber (A), presence or absence of oxidation treatment) The remaining ratio as B) can be adjusted.
前駆体シートを構成する炭素短繊維(A)のシート中での質量比は、多孔質電極基材のシート強度発現および導電性発現の観点より、繊維物質全量に対して40%以上100%以下が好ましい。 The mass ratio of the short carbon fibers (A) constituting the precursor sheet in the sheet is 40% or more and 100% or less based on the total amount of the fiber material from the viewpoint of sheet strength expression and conductivity expression of the porous electrode substrate. Is preferred.
本発明において「繊維物質全量」とは、シート中に存在する全ての繊維状物質の量をいう。例えば、シート化バインダーとして有機高分子化合物を繊維形状にして用いた場合は、当該繊維状バインダーの質量も繊維物質として加えて、炭素短繊維(A)の繊維物質全量に対する質量比を求める。 In the present invention, the “total amount of fibrous material” refers to the amount of all fibrous materials present in the sheet. For example, when an organic polymer compound is used in the form of a fiber as the sheet binder, the mass of the fibrous binder is added as a fiber material, and the mass ratio of the short carbon fibers (A) to the total fiber material is determined.
また本発明では、上述したように、工程(5)の後に、前駆体シートを交絡処理して3次元交絡構造とする工程(6)を含むことができる。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, the process (6) which makes a precursor sheet | seat entanglement-process and set it as a three-dimensional entanglement structure can be included after a process (5) as mentioned 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.
<交絡処理して3次元交絡構造とする工程(6)>
前駆体シート中の炭素短繊維(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 processing to form a three-dimensional entanglement structure (6)>
The entanglement process for entanglement of the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b) in the precursor sheet may be a method by which an entangled structure is formed, and can be performed by a known method. 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)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. This is a processing method for confounding the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b) in the precursor sheet. 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、十分な交絡効果を得る観点から、0.06mm以上1.0mm以下が好ましく、0.1mm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、1MPa以上が好ましく、1.5MPa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. In the case of a columnar flow, the hole diameter of each injection nozzle in the high-pressure liquid injection nozzle is preferably 0.06 mm or more and 1.0 mm or less, and more preferably 0.1 mm or more and 0.3 mm or less from the viewpoint of obtaining a sufficient confounding effect. . 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 1 MPa or more, and more preferably 1.5 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 row.
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 sheet width direction. Periodic patterns appearing on the sheet can also be suppressed.
<炭素化可能な樹脂(c)を含浸させる工程(7)>
本発明においては、上述した加熱加圧成型する工程(3)の前に、炭素短繊維(A)単体または、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーからなる前駆体シートに炭素化可能な樹脂(c)を含浸する工程(7)を実施し、その後加熱加圧成型する工程(3)により炭素化可能な樹脂(c)も硬化・成型し、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ことができる。また、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーからなる前駆体シートを用い、前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーが熱可塑性を有する場合は、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)および/またはシート化バインダーからなる前駆体シートを加熱加圧成型した工程(3)の後に、炭素化可能な樹脂(c)を含浸する工程(7)を実施し、その後、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こともできる。
<Step of impregnating carbonizable resin (c) (7)>
In the present invention, the short carbon fiber (A) alone or the short carbon fiber (A) and the precursor fiber (b) and / or the sheet-formed binder are formed before the above-described heat and pressure molding step (3). The step (7) of impregnating the precursor sheet with the carbonizable resin (c) is carried out, and then the carbonizable resin (c) is cured and molded by the step of heat and pressure molding (3), and carbonized. By doing so, a porous electrode substrate for a fuel cell can be obtained. Further, when a precursor sheet composed of carbon short fibers (A) and precursor fibers (b) and / or sheeted binder is used and the precursor fibers (b) and / or sheeted binder have thermoplasticity, carbon is used. Step (7) of impregnating carbonizable resin (c) after step (3) of heat-press molding a precursor sheet comprising short fibers (A) and precursor fibers (b) and / or sheeted binder (7) ) And then carbonized to obtain a porous electrode substrate for a fuel cell.
燃料電池用多孔質電極基材の導電性向上させ点、および、炭素化工程での炭素化可能な樹脂(c)の体積収縮を抑制する観点より、炭素化可能な樹脂(c)に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。 From the viewpoint of improving the conductivity of the porous electrode substrate for fuel cells and suppressing the volume shrinkage of the carbonizable resin (c) in the carbonization step, the carbonizable resin (c) is conductive. It is also preferable to mix the substances. 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.
炭素化可能な樹脂(c)または炭素化可能な樹脂(c)と導電性物質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炭素化可能な樹脂(c)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前駆体シートを含浸し、絞り装置で取り込み液が前駆体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 the carbonizable resin (c) or the carbonizable resin (c) and a mixture of conductive materials, a method using a drawing device or a carbonizable resin (c) film is used. A method of stacking on a carbon sheet is preferred. In the method using the squeezing device, the precursor sheet is impregnated in the resin solution or the mixed solution, and the squeezing device uniformly applies the intake liquid to the entire precursor sheet, and the amount of liquid changes the roll interval of the squeezing device. It is a method to adjust with. 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、まず炭素化可能な樹脂(c)を離型紙に一旦コーティングし、炭素化可能な樹脂(c)フィルムとする。その後、前駆体シートに前記フィルムを積層して加熱加圧処理を行い、炭素化可能な樹脂(c)を転写する方法である。 In the method using a resin film, a carbonizable resin (c) is first coated on a release paper to obtain a carbonizable resin (c) film. Thereafter, the film is laminated on the precursor sheet and subjected to heat and pressure treatment to transfer the carbonizable resin (c).
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”.
(1)ガス透気度
多孔質電極基材のガス透気度は、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/cm2/mmAq)を算出した。
(1) Gas permeability The gas permeability of the porous electrode substrate is measured according to JIS standard P-8117, using a Gurley densometer to measure the time taken for 200 mL of air to pass through, The gas permeability (ml / hr / cm 2 / mmAq) was calculated.
(2)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。
(2) Thickness The thickness of the porous electrode base material 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.
(3)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1MPaで加圧し、10mA/cm2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。
貫通方向抵抗(mΩ・cm2)=測定抵抗値(mΩ)×試料面積(cm2)。
(3) Through-direction resistance The electrical resistance (through-direction resistance) in the thickness direction of the porous electrode substrate is 10 mA / cm 2 when the porous electrode substrate is sandwiched between gold-plated copper plates and pressed from above and below the copper plate at 1 MPa. The resistance value when a current was passed at a current density of was measured from the following equation.
Penetration direction resistance (mΩ · cm 2 ) = measured resistance value (mΩ) × sample area (cm 2 ).
(4)網目状炭素繊維(B)または樹脂炭化物(C)および網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(C)の含有率
網目状炭素繊維(B)または樹脂炭化物(C)および網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(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)の目付とから、次式より算出した。
網目状炭素繊維(B)または樹脂炭化物(C)および網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(C)の含有率(%)=[多孔質電極基材目付(g/m2)−炭素短繊維(A)目付(g/m2)]÷多孔質電極基材目付(g/m2)×100。
(実施例1)
以下の繊維を用意した。
・炭素短繊維(A):平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維。
・炭素繊維前駆体短繊維(b1):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)。
・繊維(b2−2)の作製に用いる易割繊性海島複合繊維: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)。
(4) Content of reticulated carbon fiber (B) or resin carbide (C) and reticulated carbon fiber (B) and resin carbide (C) Reticulated carbon fiber (B) or resin carbide (C) and reticulated carbon The content rate of the fiber (B) and the resin carbide (C) was calculated from the following formula from the basis weight of the obtained porous electrode base material and the basis weight of the carbon short fiber (A) used.
Content rate (%) of reticulated carbon fiber (B) or resin carbide (C) and reticulated carbon fiber (B) and resin carbide (C) = [porous electrode substrate basis weight (g / m 2 ) −carbon short Fiber (A) weight per unit area (g / m 2 )] ÷ porous electrode base material per unit area (g / m 2 ) × 100.
(Example 1)
The following fibers were prepared.
Carbon short fiber (A): PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 3 mm.
Carbon fiber precursor short fiber (b1): Acrylic short fiber (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: D122) having an average fiber diameter of 4 μm and an average fiber length of 3 mm.
・ Easily splittable sea-island composite fiber used for production of fiber (b2-2): Easy splittable acrylic sea-island composite short fiber (Mitsubishi Rayon) consisting of acrylic polymer fibrillated by beating and diacetate (cellulose acetate) (Trade name: Bonnell MVP-C651, average fiber length: 3 mm).
以下の(I)〜(VI)の操作によって前駆体シート及び交絡構造前駆体シートを連続的に製造した。 A precursor sheet and an entangled structure precursor sheet were continuously produced by the following operations (I) to (VI).
(I)炭素短繊維(A)の離解
前記炭素短繊維(A)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)を通して離解処理し、離解スラリー繊維(SA)とした。
(I) Disaggregation of carbon short fibers (A) The carbon short fibers (A) are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L). To make a disaggregated slurry fiber (SA).
(II)炭素繊維前駆体短繊維(b1)の離解
前記炭素繊維前駆体短繊維(b1)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)を通して離解処理し、離解スラリー繊維(Sb1)とした。
(II) Disaggregation of carbon fiber precursor short fibers (b1) The carbon fiber precursor short fibers (b1) are dispersed in water so that the fiber concentration becomes 1% (10 g / L), and a disk refiner (Kumaya) A disaggregation treatment was performed through Riki Kogyo Co., Ltd. to obtain a disaggregation slurry fiber (Sb1).
(III)繊維(b2−2)の作製および離解
前記易割繊性アクリル系海島複合短繊維を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散させディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)を通して叩解および離解処理し、離解スラリー繊維(Sb2−2)とした。
(III) Preparation and disaggregation of fiber (b2-2) The above-mentioned splittable acrylic sea-island composite short fiber is dispersed in water so that the fiber concentration becomes 1% (10 g / L). Beating and disaggregating treatment through Kogyo Co., Ltd. to obtain disaggregated slurry fibers (Sb2-2).
(IV)抄紙用スラリーの調整
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b1)と繊維(b2−2)とが、質量比50:30:20で、かつスラリー中の繊維の濃度が、1.44g/Lとなるように離解スラリー繊維(SA)、離解スラリー繊維(Sb1)、離解スラリー繊維(Sb2−2)、希釈水を計量し、スラリー供給タンクに調製した。さらに、ポリアクリルアマイドを添加して粘度22mPa・s(センチポイズ)の抄紙用スラリーを調製した。
(IV) Preparation of Papermaking Slurry Carbon short fiber (A), carbon fiber precursor short fiber (b1), and fiber (b2-2) are in a mass ratio of 50:30:20, and the concentration of fibers in the slurry. However, disaggregation slurry fiber (SA), disaggregation slurry fiber (Sb1), disaggregation slurry fiber (Sb2-2), and dilution water were measured so that it might become 1.44 g / L, and it prepared in the slurry supply tank. Further, polyacrylamide was added to prepare a papermaking slurry having a viscosity of 22 mPa · s (centipoise).
(V)前駆体シートの製造
ネット駆動部及び幅60cm×長さ585cmのプラスチックネット製平織メッシュをベルト状につなぎあわせて連続的に回転させるネットよりなるシート状物搬送装置、スラリー供給部幅が48cm、供給スラリー量が30L/minである抄紙用スラリー供給装置、ネット下部に配置した減圧脱水装置からなる処理装置を用いた。
(V) Manufacture of Precursor Sheet A sheet-like material conveying apparatus comprising a net driving unit and a net 60 mm × 585 cm long plastic net woven mesh connected in a belt shape and continuously rotated. A processing apparatus comprising a paper slurry supply apparatus having a 48 cm feed slurry amount of 30 L / min and a vacuum dewatering apparatus disposed under the net was used.
前記抄紙用スラリーを定量ポンプにより前記平織メッシュ上に供給した。抄紙用スラリーは均一な流れに整流するためのフローボックスを通して所定サイズに拡幅して供給した。その後自然脱水する部分を通過して、減圧脱水装置により脱水し、湿紙ウエッブ(前駆体シート)を得た。 The papermaking slurry was supplied onto the plain weave mesh by a metering pump. The papermaking slurry was supplied after being widened to a predetermined size through a flow box for rectification into a uniform flow. Thereafter, it passed through a portion to be naturally dehydrated and dehydrated with a vacuum dehydrator to obtain a wet paper web (precursor sheet).
(VI)前駆体シートの交絡処理
前記処理装置の下流に下記の3本のウォータージェットノズル(ノズル1〜3)を備えた加圧水流噴射処理装置を配置した。
(VI) Precursor treatment of precursor sheet A pressurized water jet treatment device provided with the following three water jet nozzles (nozzles 1 to 3) was disposed downstream of the treatment device.
ノズル1:孔径φ(直径)0.15mm×501孔、幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm。
ノズル2:孔径φ0.15mm×501孔、幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm。
ノズル3:孔径φ0.15mm×1002孔、幅方向孔間ピッチ1.5mm、3列配置、列間ピッチ5mm、ノズル有効幅500mm。
Nozzle 1: hole diameter φ (diameter) 0.15 mm × 501 holes, pitch in the width direction hole 1 mm (1001 holes / width 1 m), one row arrangement, nozzle effective width 500 mm.
Nozzle 2: hole diameter φ0.15 mm × 501 holes, pitch in the width direction hole 1 mm (1001 holes / width 1 m), one row arrangement, nozzle effective width 500 mm.
Nozzle 3: hole diameter φ0.15 mm × 1002 holes, width-direction hole pitch 1.5 mm, three rows, row pitch 5 mm, nozzle effective width 500 mm.
前記湿紙ウエッブを加圧水流噴射処理装置のネット上に積載した。加圧水流噴射圧力を1MPa(ノズル1)、圧力1MPa(ノズル2)、圧力1MPa(ノズル3)として、前記湿紙ウエッブをノズル1、ノズル2、ノズル3の順で通過させて交絡処理を加えた。 The wet paper web was loaded on the net of a pressurized water jet treatment apparatus. The wet water web was passed through nozzle 1, nozzle 2, and nozzle 3 in this order, and the entanglement process was performed with the pressurized water jet pressure set to 1 MPa (nozzle 1), pressure 1 MPa (nozzle 2), and pressure 1 MPa (nozzle 3). .
(VII)加熱加圧成型
次に、この前駆体シートを、連続式加熱ロールプレス装置(由利ロール社製:電気加熱式エンボス機)を用いて線圧3×104N/m、ロール温度200℃、速度2.0m/minで前駆体シートの幅方向の全面を連続的に成型した。成型後の表面観察より、炭素短繊維(A)の加圧による破断がなく、炭素短繊維(A)と前駆体繊維(b)、さらに前駆体繊維(b)同士が効果的に融着していることが確認できた。加熱加圧成型後の前駆体シートの厚みを表1に示した。
(VII) Heat-press molding Next, this precursor sheet was subjected to a linear pressure of 3 × 10 4 N / m and a roll temperature of 200 using a continuous heating roll press device (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd .: electric heating embossing machine). The entire surface in the width direction of the precursor sheet was continuously molded at a temperature of 2.0 ° C./min. From observation of the surface after molding, there is no breakage due to the pressurization of the short carbon fibers (A), and the short carbon fibers (A) and the precursor fibers (b), and the precursor fibers (b) are effectively fused together. It was confirmed that Table 1 shows the thickness of the precursor sheet after heat and pressure molding.
(VIII)接合一体化する加熱加圧成型
ついで、この前駆体シートを2枚重ね合わせた後、前駆体シートの幅方向の両端から3cmの幅のみを連続式加熱ロールプレス装置(由利ロール社製:電気加熱式エンボス機)を用いて線圧3×104N/m、ロール温度200℃、速度2.0m/minで加熱成型することで、2枚の前駆体シートが接合一体化された前駆体シートを得た。
(VIII) Heating and pressing molding for integration and integration Then, after two sheets of this precursor sheet are overlapped, only a width of 3 cm from both ends in the width direction of the precursor sheet is continuously heated by a roll press machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.). : Two-precursor sheets were joined and integrated by heat molding at a linear pressure of 3 × 10 4 N / m, a roll temperature of 200 ° C., and a speed of 2.0 m / min. A precursor sheet was obtained.
(IX)炭素化
その後、この接合一体化された前駆体シートを300℃から900℃の窒素ガス雰囲気下での前処理を行ってから、窒素ガス雰囲気中にて2000℃の連続焼成炉において3分間加熱し、炭素化処理を行い、接合一体化された多孔質電極基材を得た。
(IX) Carbonization After that, the pre-bonded and integrated precursor sheet was pretreated in a nitrogen gas atmosphere at 300 ° C. to 900 ° C., and then in a continuous firing furnace at 2000 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. Heating for a minute and performing carbonization treatment, a bonded and integrated porous electrode substrate was obtained.
(X)複数枚に分割
接合一体化された多孔質電極基材のシート幅方向の端部から3.5cmの部分を連続的なスリット装置を用いて切り落とし、多孔質電極基材の厚み方向に2枚に分割された多孔質電極基材を得た。
(X) Divided into multiple sheets A 3.5 cm portion is cut off from the end in the sheet width direction of the joined and integrated porous electrode substrate using a continuous slitting device, and the porous electrode substrate is cut in the thickness direction of the porous electrode substrate. A porous electrode substrate divided into two sheets was obtained.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)の質量含有率は28%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the network carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 28%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate that the short carbon fibers (A) were joined by the network carbon fibers (B). The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例2)
接合一体化する加熱加圧成型処理を実施せず、(VII))で得られた前駆体シートを2枚重ねて炭素化処理し、さらに複数枚に分割せずに、2枚の多孔質電極基材を得たこと以外は実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。
(Example 2)
Two porous electrodes are obtained by stacking and carbonizing the two precursor sheets obtained in (VII) without carrying out the heat and pressure molding process for joining and integrating. A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the substrate was obtained.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)の質量含有率は28%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the network carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 28%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate that the short carbon fibers (A) were joined by the network carbon fibers (B). The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例3)
交絡処理を実施しなかったこと以外は実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。
(Example 3)
A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the entanglement treatment was not performed.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)の質量含有率は28%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the network carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 28%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate that the short carbon fibers (A) were joined by the network carbon fibers (B). The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例4)
実施例1の加熱加圧成型された前駆体シートに対し、炭素化可能な樹脂(c)として水分散フェノール樹脂(商品名:PR−9800D、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質量比60%付着させたフェノール樹脂含浸シートを得た。さらに、このフェノール樹脂が含浸された前駆体シ-トを実施例1と同様の方法で、接合一体化する加熱加圧成型処理、炭素化処理、複数枚に分割する処理を行なうことで、多孔質電極基材を得た。
Example 4
The precursor sheet formed by heating and pressing in Example 1 was impregnated with a water-dispersed phenol resin (trade name: PR-9800D, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) as a carbonizable resin (c), and at room temperature. The sheet was sufficiently dried to obtain a phenol resin-impregnated sheet to which a non-volatile content of the phenol resin was adhered in a mass ratio of 60%. Further, the precursor sheet impregnated with this phenolic resin is subjected to the same method as in Example 1 by performing heat and pressure molding treatment for joining and integration, carbonization treatment, and treatment for dividing into a plurality of sheets, so that the porous sheet is porous. A quality electrode substrate was obtained.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(C)の質量含有率は49%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content rate of the network carbon fiber (B) and the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 49%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(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)間とが接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 The short carbon fibers (A) are bonded to each other by a network carbon fiber (B) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate, and between the short carbon fibers (A) by the resin carbide (C) and It was confirmed that the short carbon fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B) were joined. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例5)
実施例1の前駆体シートに対し、炭素化可能な樹脂(c)として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質量比60%付着させたフェノール樹脂含浸シートを得た。さらに、このフェノール樹脂が含浸された前駆体シ-トの幅方向の両端の端部から3.5cm残すように実施例1と同様の装置を用い、加熱加圧成型処理を行った。さらに、実施例1と同様の方法で、接合一体化する加熱加圧成型処理、炭素化処理、複数枚に分割する処理を行なうことで、多孔質電極基材を得た。
(Example 5)
The precursor sheet of Example 1 was impregnated with a water-dispersible phenol resin (trade name: PR-55464, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) as a carbonizable resin (c), and sufficiently dried at room temperature. A phenol resin-impregnated sheet having a resin non-volatile content of 60% attached was obtained. Further, a heat and pressure molding process was performed using the same apparatus as in Example 1 so as to leave 3.5 cm from both ends in the width direction of the precursor sheet impregnated with this phenol resin. Furthermore, the porous electrode base material was obtained by performing the heat-pressure molding process which joins and integrates, the carbonization process, and the process divided | segmented into several sheets by the method similar to Example 1. FIG.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(C)の質量含有率は49%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content rate of the network carbon fiber (B) and the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 49%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(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)間とが接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 The short carbon fibers (A) are bonded to each other by a network carbon fiber (B) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate, and between the short carbon fibers (A) by the resin carbide (C) and It was confirmed that the short carbon fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B) were joined. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例6)
フィブリル状炭素前駆体繊維(b2)として、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(b2−1)を用いたこと以外は、実施例4と同様にして前駆体シートおよび多孔質電極基材を得た。
(Example 6)
Precursor in the same manner as in Example 4 except that polyacrylonitrile pulp (b2-1) in which a large number of fibrils having a diameter of 3 μm or less were branched from the fibrous trunk was used as the fibrillar carbon precursor fiber (b2). Sheets and porous electrode substrates were obtained.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)と樹脂炭化物(C)の質量含有率は49%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content rate of the network carbon fiber (B) and the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 49%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(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)間とが接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 The short carbon fibers (A) are bonded to each other by a network carbon fiber (B) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate, and between the short carbon fibers (A) by the resin carbide (C) and It was confirmed that the short carbon fibers (A) and the reticulated carbon fibers (B) were joined. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例7)
前駆体シートを3枚重ねて接合一体化したこと以外は実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。
(Example 7)
A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that three precursor sheets were overlapped and joined and integrated.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)の質量含有率は28%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the network carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 28%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate that the short carbon fibers (A) were joined by the network carbon fibers (B). The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例8)
シート化バインダーとして、平均繊維長が3mmのポリビニルアルコール(PVA)短繊維(商品名:VBP105−1、クラレ株式会社製)を用意した。
(Example 8)
A polyvinyl alcohol (PVA) short fiber (trade name: VBP105-1, manufactured by Kuraray Co., Ltd.) having an average fiber length of 3 mm was prepared as a sheet binder.
炭素繊維前駆体短繊維(b1)と繊維(b2−2)を用いず、炭素短繊維(A)とポリビニルアルコール(PVA)短繊維が、質量比80:20となるようにしたこと以外は実施例3と同様にして、前駆体シートを得た。この前駆体シートにフェノール樹脂(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質量比60%付着させたフェノール樹脂含浸シートを得た。さらに、このフェノール樹脂が含浸された前駆体シ-トを実施例5と同様の方法で、加熱加圧成型処理、接合一体化する加熱加圧成型処理、炭素化処理、複数枚に分割する処理を行なうことで、多孔質電極基材を得た。 The carbon fiber precursor short fiber (b1) and the fiber (b2-2) were not used, and the carbon short fiber (A) and the polyvinyl alcohol (PVA) short fiber were used except that the mass ratio was 80:20. In the same manner as in Example 3, a precursor sheet was obtained. This precursor sheet 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. % Adhered phenol resin impregnated sheet was obtained. Further, the precursor sheet impregnated with this phenol resin is subjected to the same method as in Example 5 by heat and pressure molding treatment, heat and pressure molding treatment for joining and integrating, carbonization treatment, treatment for dividing into a plurality of sheets. To obtain a porous electrode substrate.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の樹脂炭化物(C)の質量含有率は32%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 32%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、樹脂炭化物(C)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed that the carbon short fibers (A) were joined to each other by the resin carbide (C) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例9)
シート化バインダーとしてポリエチレンパルプ(商品名:SWP、三井化学株式会社製)を用いたこと以外は実施例8と同様にして多孔質電極基材を得た。
Example 9
A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 8 except that polyethylene pulp (trade name: SWP, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) was used as the sheet binder.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の樹脂炭化物(C)の質量含有率は32%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 32%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、樹脂炭化物(C)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed that the carbon short fibers (A) were joined to each other by the resin carbide (C) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例10)
実施例9の前駆体シート用いたこと以外は実施例4と同様にして多孔質電極基材を得た。
(Example 10)
A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except that the precursor sheet of Example 9 was used.
この多孔質電極基材は、生産性が高く、かつ、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。また、多孔質電極基材中の樹脂炭化物(C)の質量含有率は32%であった。 This porous electrode base material has high productivity, and there is almost no in-plane shrinkage at the time of carbonization treatment, breakage of carbon short fibers, good surface smoothness, gas permeability, thickness, The penetration direction resistance was good. Moreover, the mass content of the resin carbide (C) in the porous electrode substrate was 32%.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、樹脂炭化物(C)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed that the carbon short fibers (A) were joined to each other by the resin carbide (C) by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate. The evaluation results are shown in Table 2.
(比較例1)
接合一体化する加熱加圧成型処理を実施せず、(VII))で得られた前駆体シート1枚のみを炭素化処理し、1枚の多孔質電極基材を得たこと以外は実施例2と同様にして多孔質電極基材を得た。
(Comparative Example 1)
Example in which only one precursor sheet obtained in (VII) was carbonized by carrying out the heat-pressure molding process for joining and integrating to obtain one porous electrode substrate. In the same manner as in Example 2, a porous electrode substrate was obtained.
この多孔質電極基材は炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、表面平滑性は良好であり、ガス透気度、厚み、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であり、また多孔質電極基材中の網目状炭素繊維(B)の質量含有率は28%であったが、生産性が低く、実施例1および実施例2の多孔質電極基材と比較し、製造コストが高くなった。 This porous electrode base material has almost no breakage of short carbon fibers or in-plane shrinkage during carbonization treatment, good surface smoothness, and good gas permeability, thickness, and penetration direction resistance. The mass content of the reticulated carbon fiber (B) in the porous electrode substrate was 28%, but the productivity was low, compared with the porous electrode substrates of Example 1 and Example 2, Manufacturing costs have increased.
多孔質電極基材の表面の走査型電子顕微鏡観察により炭素短繊維(A)同士が、網目状炭素繊維(B)によって接合されていることが確認できた。評価結果を表2に示した。 It was confirmed by scanning electron microscope observation of the surface of the porous electrode substrate that the short carbon fibers (A) were joined by the network carbon fibers (B). The evaluation results are shown in Table 2.
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