JP6477401B2 - Porous electrode substrate, membrane-electrode assembly using the same, and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Porous electrode substrate, membrane-electrode assembly using the same, and polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に適用される多孔質電極基材およびそれを用いた膜−電極接合体並びにそれを用いた固体高分子型燃料電池
に関する。
The present invention relates to a porous electrode substrate applied to a polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly using the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

固体高分子型燃料電池には、導電性が高く、集電能に優れ、各種作業に耐え得るよう機械的強度が良好であることが要求されており、同時に、電極反応に寄与する物質の拡散が良好である必要がある。そのため、電極基材には炭素化されたシートが一般的に用いられる。近年注目されている自動車など高い出力密度が要求される用途においては、電流密度が高い領域で燃料電池を運転するため、単位反応面積当たりに発生する水の量も増加する。したがって、このような場合には、反応による生成水をいかに効率よく排出するかがポイントとなり、燃料電池のガス拡散体の材料として用いられる炭素化されたシートには高い排水性が求められる。そのため、電極基材の細孔分布を制御することで、排水性を向上させる試みがされるようになった。   Solid polymer fuel cells are required to have high electrical conductivity, excellent current collection capability, and good mechanical strength to withstand various operations, and at the same time, diffusion of substances that contribute to electrode reactions It needs to be good. Therefore, a carbonized sheet is generally used for the electrode substrate. In applications that require high power density, such as automobiles, which have been attracting attention in recent years, the amount of water generated per unit reaction area increases because the fuel cell is operated in a region where the current density is high. Therefore, in such a case, the point is how to efficiently discharge water produced by the reaction, and the carbonized sheet used as the material of the gas diffuser of the fuel cell is required to have high drainage. Therefore, attempts have been made to improve drainage by controlling the pore distribution of the electrode substrate.

例えば、特許文献1においては、機械的強度が高く電気特性に優れた電極材に適した多孔質炭素材を提供することが目的とされ、その細孔分布は単峰(1山)でかつ鋭いピークであることが良いとされているが、特許文献2においては逆に、機械的にシートに穴を開け、不織布の糸と糸の間にできる間隙と前記穴の2種類の空孔を合わせ持つことが良いとされるものもある。しかしながら、機械強度と排水性を両立させるという点では不十分であった。   For example, in Patent Document 1, an object is to provide a porous carbon material suitable for an electrode material having high mechanical strength and excellent electrical characteristics, and the pore distribution is unimodal (one mountain) and sharp. Although it is said that the peak is good, conversely in Patent Document 2, a hole is mechanically made in the sheet, and the gap formed between the yarns of the nonwoven fabric and the two types of holes of the holes are combined. Some are good to have. However, it was insufficient in terms of achieving both mechanical strength and drainage.

さらに特許文献3では、黒鉛やカーボンブラックなど粉末を混ぜることが紹介されているが、細孔径が1μm以下のピークしか得られず、大きく排水性が改善するものではなかった。また、特許文献4では、プレス成型条件の異なるシートを積層することで、厚さ方向に細孔分布の異なる多孔質炭素シートが紹介されているが、表裏で構造が異なるため反りの問題が発生する。また、これらの文献には、細孔分布をどのようにすれば排水性が向上し、発電性能が改善するのか明確な記載はなかった。   Further, Patent Document 3 introduces mixing powders such as graphite and carbon black, but only a peak having a pore diameter of 1 μm or less was obtained, and drainage performance was not greatly improved. Patent Document 4 introduces porous carbon sheets with different pore distributions in the thickness direction by laminating sheets with different press molding conditions, but the problem of warping occurs because of the different structures on the front and back sides. To do. Also, these documents did not clearly describe how the pore distribution is improved to improve drainage and improve power generation performance.

特許文献5では、特許文献の1〜4には記載されていない発電試験による性能評価がされている。双峰(2山)からなる細孔分布とすることで、従来の1山細孔分布のものより、発電性が向上することが明記されている。   In patent document 5, the performance evaluation by the electric power generation test which is not described in patent documents 1-4 is performed. It is specified that the power generation performance is improved by making the pore distribution consisting of two peaks (two peaks) than the conventional one-peak pore distribution.

自動車用途においては、アクセルを踏み込む高出力密度の条件に加えて、安定走行する低出力での運転条件においても燃料電池のセル内を安定した状態に保ち、幅広い条件化において発電する必要がある。すなわち、電池起動時のような低温・低加湿な条件でも発電し、さらにアクセルを踏み込んだ後の高温・高加湿な条件でも発電することが求められている。特許文献5のような方法では、ピンポイントの発電条件においての発電性能の向上がみられるが、他の条件において全く知見がないため、そのまま自動車用途に適用できるものではなかった。   In automobile applications, in addition to the condition of high power density where the accelerator is stepped on, it is necessary to keep the inside of the fuel cell cell stable even under low power driving conditions where the vehicle runs stably, and to generate power under a wide range of conditions. That is, it is required to generate power even under conditions of low temperature and low humidity, such as when the battery is started, and also generate power under conditions of high temperature and high humidity after the accelerator is depressed. In the method as disclosed in Patent Document 5, although the power generation performance is improved under the pinpoint power generation conditions, since there is no knowledge at other conditions, it cannot be directly applied to automobile applications.

一方、炭素化されたシートの連続成型方法としては、特許文献3、4のように間欠プレスをするものや、特許文献5、6のようにダブルベルトプレス(DBP)によるものが、広く知られている。その中で厚みを制御するのに、加圧し、厚みを決定する部分でスペーサーやコッターを用いることが良いとされているが、一方、これらの工程において細孔分布の制御を行うことについては、特に言及されていない。   On the other hand, as a continuous molding method of carbonized sheets, there are widely known methods in which intermittent pressing is performed as in Patent Documents 3 and 4, and double belt press (DBP) is performed in Patent Documents 5 and 6. ing. In order to control the thickness, it is said that it is good to use a spacer or a cotter at the part that determines the thickness by pressurizing, but on the other hand, for controlling the pore distribution in these steps, Not specifically mentioned.

特開平10−167855公報JP 10-167855 A 特開第2005−317240号公報JP-A-2005-317240 特許5055682号公報Japanese Patent No. 5055682 特開2009−234851号公報JP 2009-234851 特許5260581号公報Japanese Patent No. 5260581 特開2004−134108号公報JP 2004-134108 A

本発明の課題は、自動車用途においてアクセルを踏み込む高出力密度の条件に加えて、安定走行する低出力での運転条件においても燃料電池のセル内を安定した状態に保ち、幅広い条件化において発電できる多孔質電極基材を提供することである。   The object of the present invention is to maintain the fuel cell in a stable state and to generate power in a wide range of conditions even under driving conditions with low power and stable driving, in addition to the conditions of high power density for stepping on the accelerator in automotive applications. It is to provide a porous electrode substrate.

発電性能が悪化する要因は、比較的低温かつ高電流密度領域においては、フラッディングやプラッギングと呼ばれる、基材あるいはセパレータ流路の閉塞に伴うガス供給不足により、瞬間的に発電性能が低下する問題がある。一方、高温・低加湿条件では、ドライアップと呼ばれる、電解質膜の乾燥に伴うプロトン伝導の低下により、発電性能が低下する問題がある。   The reason why power generation performance deteriorates is that, in a relatively low temperature and high current density region, there is a problem called instantaneous flooding and plugging that power generation performance decreases instantaneously due to insufficient gas supply due to blockage of the base material or separator flow path. is there. On the other hand, under high-temperature and low-humidification conditions, there is a problem that power generation performance is lowered due to a decrease in proton conduction accompanying drying of the electrolyte membrane, which is called dry-up.

これらの現象を多孔質電極基材の観点から考えると、これまでの多孔質電極基材は、ペーパータイプにしてもクロスタイプにしても、その細孔分布ピークの対称性が高いものが主流であった。すなわち、細孔径が基材全体にわたってほぼ一様であり、燃料ガスあるいは生成水がどういう経路で拡散、通過するかは不確実であった。そのため、生成水により経路の閉塞が起きるとガスの拡散が阻害され、また、いったん乾燥が始まるとそれが加速し、ドライアップしてしまうものだった。   Considering these phenomena from the viewpoint of porous electrode base materials, the conventional porous electrode base materials are mainly those with high symmetry of pore distribution peak regardless of whether they are paper type or cross type. there were. That is, the pore diameter is almost uniform over the entire substrate, and it is uncertain which route the fuel gas or generated water will diffuse and pass through. For this reason, when the path was blocked by the produced water, gas diffusion was inhibited, and once drying started, it accelerated and dried up.

本発明は、上記の点を鑑みて行われたものであり、低温・高加湿条件から高温・低加湿条件にわたる幅広い発電条件に適応しうる多孔質電極基材を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a porous electrode substrate that can be applied to a wide range of power generation conditions ranging from low temperature / high humidification conditions to high temperature / low humidification conditions.

本発明者等は前記課題が以下の発明(1)〜(5)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 (5).

(1) 構造体中に分散した繊維直径が3〜9μmで繊維長2〜20mmの炭素繊維同士が樹脂炭化物で結着された多孔質電極基材であって、当該多孔質電極基材を水銀圧入法で測定した際の細孔分布が、以下の条件を満たすことを特徴を有する多孔質電極基材。
<条件>
横軸が常用対数表示された細孔分布曲線であって、少なくとも直径1〜100μmの区間は、常用対数表示で等間隔となるような80個の測定点からなり、横軸を対数表示した細孔分布において、直径1〜100μmにおける細孔分布の歪度Sが−1.0<S<−0.5であり、尖度Kが3.0<K<4.5であり、1〜20μmの細孔径範囲においてピークを1つ、20〜100μmの細孔径範囲においてもピークを1つ有し、1〜20μmの細孔径範囲におけるピークが、20〜100μmの細孔径範囲におけるピークよりも低い
(1) A porous electrode base material in which carbon fibers having a fiber diameter of 3 to 9 μm and a fiber length of 2 to 20 mm dispersed in a structure are bound with a resin carbide, and the porous electrode base material is made of mercury. A porous electrode base material characterized in that the pore distribution measured by the press-fitting method satisfies the following conditions.
<Conditions>
The horizontal axis is a logarithmic distribution curve with a common logarithm, and at least a section with a diameter of 1 to 100 μm is composed of 80 measurement points that are equally spaced in the common logarithm display. In the pore distribution, the skewness S of the pore distribution at a diameter of 1 to 100 μm is −1.0 <S <−0.5, the kurtosis K is 3.0 <K <4.5, and 1 to 20 μm. In the pore diameter range, one peak is also present in the pore diameter range of 20 to 100 μm, and the peak in the pore diameter range of 1 to 20 μm is lower than the peak in the pore diameter range of 20 to 100 μm.

(2) 撥水処理のみを施した多孔質電極基材を用いて、セル温度80℃、相対湿度100%、電流密度1.0A/cmにおける電圧値Vaに対するセル温度80℃、相対湿度42%、電流密度1.0A/cmにおける電圧値Vbの比が、Vb/Va=0.7〜1.1である(1)に記載の多孔質電極基材。 (2) Using a porous electrode substrate subjected to only water repellent treatment, a cell temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 42 with respect to a voltage value Va at a cell temperature of 80 ° C., a relative humidity of 100%, and a current density of 1.0 A / cm 2 %, The ratio of the voltage value Vb at a current density of 1.0 A / cm 2 is Vb / Va = 0.7 to 1.1.

(3) 前記(1)または(2)に記載の多孔質電極基材の片面および/または両面にカーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を設けた多孔質電極基材。   (3) A porous electrode substrate in which a coating layer composed of carbon powder and a water repellent is provided on one side and / or both sides of the porous electrode substrate according to (1) or (2).

(4) 前記(1)〜(3)のいずれかに記載の多孔質電極基材を用いた膜−電極接合体。   (4) A membrane-electrode assembly using the porous electrode substrate according to any one of (1) to (3).

(5) 前記(4)に記載の膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。   (5) A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to (4).

本発明によれば、低温・高加湿条件から高温・低加湿条件にわたる幅広い発電条件に適応しうる多孔質電極基材を提供することができる。並びに、この多孔質電極基材を含む膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a porous electrode substrate that can be applied to a wide range of power generation conditions ranging from low temperature / high humidification conditions to high temperature / low humidification conditions. In addition, a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell including the porous electrode substrate can be provided.

データ点数および間隔の設定により、得られる細孔分布の形状が変わりうることを示す図である。図1において横軸は細孔径を表し、縦軸は細孔に注入される水銀の合計体積を表す累積細孔容積曲線を、前記細孔径を変数として微分したものを表している。It is a figure which shows that the shape of the pore distribution obtained can be changed by the setting of a data point and a space | interval. In FIG. 1, the horizontal axis represents the pore diameter, and the vertical axis represents the cumulative pore volume curve representing the total volume of mercury injected into the pores, differentiated with the pore diameter as a variable . 1〜20μmの細孔径範囲においてピークを1つ、20〜100μmの細孔径範囲においてもピークを1つ有し、1〜20μmの細孔径範囲におけるピークが、20〜100μmの細孔径範囲におけるピークよりも低い細孔分布の代表的な図である。図2において横軸は細孔径を表し、縦軸は細孔に注入される水銀の合計体積を表す累積細孔容積曲線を、前記細孔径を変数として微分したものを表している。One peak in the pore diameter range of 1 to 20 μm, and one peak in the pore diameter range of 20 to 100 μm, and the peak in the pore diameter range of 1 to 20 μm is more than the peak in the pore diameter range of 20 to 100 μm It is a typical figure of low pore distribution. In FIG. 2, the horizontal axis represents the pore diameter, and the vertical axis represents the cumulative pore volume curve representing the total volume of mercury injected into the pores, differentiated with the pore diameter as a variable .

以下、本発明を更に詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

<多孔質電極基材>
本発明の多孔質電極基材は、構造体中に分散した繊維直径が3〜9μmで繊維長2〜20mmの炭素繊維同士が樹脂炭化物で結着された多孔質電極基材であって、当該多孔質電極基材を水銀圧入法で測定した際の細孔分布が、以下の条件を満たすことを特徴とする。
(条件)
横軸が常用対数表示された細孔分布曲線であって、少なくとも直径1〜100μmの区間は、常用対数表示で等間隔となるような80個の測定点からなり、横軸を対数表示した細孔分布において、直径1〜100μmにおける細孔分布の歪度Sが−1.0<S<−0.5であり、尖度Kが3.0<K<4.5であり、1〜20μmの細孔径範囲においてピークを1つ、20〜100μmの細孔径範囲においてもピークを1つ有し、1〜20μmの細孔径範囲におけるピークが、20〜100μmの細孔径範囲におけるピークよりも低い
<Porous electrode substrate>
The porous electrode substrate of the present invention is a porous electrode substrate in which carbon fibers dispersed in a structure have a diameter of 3 to 9 μm and a fiber length of 2 to 20 mm are bound with resin carbide, The pore distribution when the porous electrode substrate is measured by a mercury intrusion method satisfies the following condition.
(conditions)
The horizontal axis is a logarithmic distribution curve with a common logarithm, and at least a section with a diameter of 1 to 100 μm is composed of 80 measurement points that are equally spaced in the common logarithm display. In the pore distribution, the skewness S of the pore distribution at a diameter of 1 to 100 μm is −1.0 <S <−0.5, the kurtosis K is 3.0 <K <4.5, and 1 to 20 μm. In the pore diameter range, one peak is also present in the pore diameter range of 20 to 100 μm, and the peak in the pore diameter range of 1 to 20 μm is lower than the peak in the pore diameter range of 20 to 100 μm.

<多孔質電極基材の発電性能>
本発明の多孔質電極基材の発電性能は、以下の条件にて定義されるものである。
<Power generation performance of porous electrode substrate>
The power generation performance of the porous electrode substrate of the present invention is defined under the following conditions.

多孔質電極基材をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンに浸漬、乾燥、焼結することにより得られた多孔質電極基材(PTFE付着量20質量%)をカソード用およびアノード用の多孔質電極基材として用意し、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(膜厚:30μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を用意し、この積層体を、カソード用およびアノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合してMEA(Membrane Electrode Assembly)を得る。前記MEAを、蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成し、燃料ガスに水素ガス(利用率60%)を、酸化ガスに空気(利用率40%)を用いて、電流密度−電圧特性を測定する。セル温度80℃、相対湿度100%(湿潤状態)の場合の電流密度1.0A/cmにおける電圧値をVaとし、セル温度80℃、相対湿度42%(乾燥状態)の場合の電流密度1.0A/cmにおける電圧値をVbとし、これらの比Vb/Vaを求める。Vb/Va値は0.7〜1.1であることが好ましい。Vb/Va値が0.7未満の場合には、発電に好適な条件が湿潤状態に偏っていることを意味し、ドライアップしやすいため好ましくない。一方、Vb/Va値が1.1を超える場合は、発電に好適な条件が乾燥状態に偏っていることを意味し、フラッディングしやすいため好ましくない。 Porous electrode base material (PTFE adhesion amount 20 mass%) obtained by immersing, drying, and sintering a porous electrode base material in polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion is porous for cathode and anode Prepared as an electrode base material, a catalyst layer (catalyst layer area) comprising catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50% by mass) on both sides of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (film thickness: 30 μm) : 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) was prepared, and this laminate was sandwiched between porous electrode substrates for cathode and anode, and these were joined to form MEA (Membrane Electrode Assembly) is obtained. The MEA is sandwiched between two carbon separators having a bellows-like gas flow path to form a polymer electrolyte fuel cell (single cell). Hydrogen gas (utilization rate 60%) is used as fuel gas, and oxidizing gas is used as fuel gas. The current density-voltage characteristics are measured using air (utilization rate 40%). The voltage value at a current density of 1.0 A / cm 2 when the cell temperature is 80 ° C. and the relative humidity is 100% (wet state) is Va, and the current density is 1 when the cell temperature is 80 ° C. and the relative humidity is 42% (dry state). The voltage value at 0.0 A / cm 2 is Vb, and the ratio Vb / Va is obtained. The Vb / Va value is preferably 0.7 to 1.1. When the Vb / Va value is less than 0.7, it means that the conditions suitable for power generation are biased to a wet state, and it is not preferable because it is easy to dry up. On the other hand, when the Vb / Va value exceeds 1.1, it means that the conditions suitable for power generation are biased to the dry state, and it is not preferable because it easily floods.

<炭素繊維>
本発明の多孔質電極基材を構成する1つの繊維である炭素繊維としては、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」と言う。)、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等の炭素繊維を適当な長さ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。
<Carbon fiber>
Examples of the carbon fiber that is one fiber constituting the porous electrode substrate of the present invention include polyacrylonitrile-based carbon fiber (hereinafter referred to as “PAN-based carbon fiber”), pitch-based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. And the like obtained by cutting carbon fibers such as From the viewpoint of the mechanical strength of the porous electrode substrate, PAN-based carbon fibers are preferred.

炭素繊維の平均繊維長は、分散性の点から、2〜20mmであることが好ましい。炭素繊維の平均繊維径は、炭素繊維の生産コスト及び分散性の面から、3〜9μmであることが好ましく、多孔質電極基材の平滑性の面から、4〜8μmであることがより好ましい。平均繊維長は、例えば走査型電子顕微鏡などの顕微鏡で、炭素繊維を50倍以上に拡大して写真撮影を行い、無作為に異なる50本の単繊維を選び、その長さを計測し、その平均値を求めればよい。炭素繊維の平均繊維径は、炭素繊維の生産コスト及び分散性の観点から、3〜9μmであることが好ましく、多孔質電極基材の平滑性の面から、4〜8μmであることがより好ましい。   The average fiber length of the carbon fibers is preferably 2 to 20 mm from the viewpoint of dispersibility. The average fiber diameter of the carbon fibers is preferably 3 to 9 μm from the viewpoint of carbon fiber production cost and dispersibility, and more preferably 4 to 8 μm from the smoothness of the porous electrode substrate. . The average fiber length can be measured with a microscope such as a scanning electron microscope, and the carbon fiber is magnified 50 times or more, and 50 different single fibers are selected at random, and the length is measured. What is necessary is just to obtain | require an average value. The average fiber diameter of the carbon fibers is preferably 3 to 9 μm from the viewpoint of carbon fiber production cost and dispersibility, and more preferably 4 to 8 μm from the viewpoint of the smoothness of the porous electrode substrate. .

<樹脂炭化物>
本発明において、樹脂炭化物とは、樹脂を炭化してできた、炭素繊維同士を結着する物質である。樹脂としては、フェノール樹脂など炭素繊維との結着力が強く、炭化時の残存重量が大きいものが好ましいが、特に限定はされない。この樹脂炭化物は、樹脂の種類や炭素繊維紙への含浸量により、最終的に多孔質炭素電極基材に炭化物として残る割合が異なる。
<Resin carbide>
In the present invention, the resin carbide is a substance formed by carbonizing a resin and binding carbon fibers together. The resin is preferably a resin having a strong binding force with carbon fibers such as a phenol resin and a large residual weight during carbonization, but is not particularly limited. Depending on the type of resin and the amount of impregnation into the carbon fiber paper, the ratio of the resin carbide remaining as a carbide on the porous carbon electrode base material varies.

<水銀圧入法>
本発明における細孔分布は、以下の方法によって取得、定義されるものである。
多孔質材料の細孔分布を取得する方法として水銀圧入法を用いる。水銀圧入法では、試料に加えた圧力から空隙の円筒近似によって換算される試料の細孔径を横軸とし、細孔に注入される水銀の合計体積を縦軸とする「累積細孔容積曲線」を、細孔径を変数として微分したものが「細孔分布曲線」である。
<Mercury intrusion method>
The pore distribution in the present invention is obtained and defined by the following method.
The mercury intrusion method is used as a method for obtaining the pore distribution of the porous material. In the mercury intrusion method, the cumulative pore volume curve is the horizontal axis is the pore diameter of the sample converted from the pressure applied to the sample by the cylindrical approximation of the void, and the vertical axis is the total volume of mercury injected into the pores. Is a “pore distribution curve” that is obtained by differentiating the pore diameter as a variable.

<細孔分布>
通常、細孔分布は横軸が対数である片対数表示されることが多い。一方、装置メーカーの所与の設定では、試料に加える圧力(印加圧力)がある程度均等になるようあらかじめ設定されている。そのような印加圧力設定で測定した場合、得られる細孔径は印加圧力と円筒近似式により一義的に決まるため、細孔分布曲線を描くためのデータ点は、片対数表示では小さい細孔径の方(向かって左側)で密に、大きい細孔径の方(向かって右側)で疎となる。これは、データ点の取り方、すなわち印加圧力の設定の仕方で、得られる細孔
分布形状が変わりうることを示す。図1に、同一の多孔質電極基材をサンプルとして、データ点の取り方を変えて取得した細孔分布の一例を示す。このように、印加圧力の設定は細孔分布を評価するにあたり極めて重要である。
<Pore distribution>
Usually, the pore distribution is often displayed in semilogarithm with the horizontal axis being logarithmic. On the other hand, in a given setting of the device manufacturer, the pressure applied to the sample (applied pressure) is set in advance to be uniform to some extent. When measured at such an applied pressure setting, the resulting pore diameter is uniquely determined by the applied pressure and the approximate cylinder equation, so the data points for drawing the pore distribution curve are those with smaller pore diameters in semilogarithmic display. It becomes dense on the (left side) and sparse on the larger pore size (right side). This indicates that the obtained pore distribution shape can be changed depending on how to take data points, that is, how to set the applied pressure. FIG. 1 shows an example of pore distribution obtained by using the same porous electrode substrate as a sample and changing the way of taking data points. Thus, the setting of the applied pressure is extremely important in evaluating the pore distribution.

そこで我々は、細孔分布曲線を描くためのデータ点が片対数表示で等間隔となるように、逆算によって印加圧力の設定値を求めた。データ間隔が小さいほど正確な形状となるが、測定時間が長くなりすぎないよう、1〜100μmの範囲で80点程度が好ましい。一方、多孔質電極基材の細孔分布形状を的確に評価するために、細孔径で1μm未満および100μmを超える領域についてもデータを取得する方が好ましい。本発明では全て、細孔径で約0.08μmから約400μmに相当する圧力範囲において、計144点の印加圧力を設定した。   Therefore, we calculated the set value of the applied pressure by back-calculation so that the data points for drawing the pore distribution curve were equally spaced in semilogarithmic display. The smaller the data interval, the more accurate the shape, but about 80 points in the range of 1 to 100 μm are preferable so that the measurement time does not become too long. On the other hand, in order to accurately evaluate the pore distribution shape of the porous electrode substrate, it is preferable to acquire data also for regions having a pore diameter of less than 1 μm and more than 100 μm. In the present invention, a total of 144 applied pressures were set in the pressure range corresponding to about 0.08 μm to about 400 μm in pore diameter.

また、このようなデータを取得するために、ある印加圧力設定値Aに対し、次の印加圧力設定値Bは、B=10^0.025×A≒1.06×Aを満たすように設定する。すなわち、印加圧力の設定値は、全体として、公比1.06の等比数列をなす。   In order to acquire such data, for a certain applied pressure setting value A, the next applied pressure setting value B is set so that B = 10 ^ 0.025 × A≈1.06 × A. To do. That is, the set value of the applied pressure forms a geometric sequence with a common ratio of 1.06 as a whole.

1〜100μmの範囲でデータ点数80点の場合、片対数表示でのデータ間隔は10^0.025≒1.06[μm]程度となり、約1μmの分解能で細孔分布を表示できる。   When the number of data points is 80 in the range of 1 to 100 μm, the data interval in the semilogarithmic display is about 10 ^ 0.025≈1.06 [μm], and the pore distribution can be displayed with a resolution of about 1 μm.

<歪度・尖度>
細孔分布は統計学の視点で見れば度数分布の一種であるから、分布形状は統計学で一般に用いられる、分布の「歪度」および「尖度」により規定することができる。
<Distortion and kurtosis>
Since the pore distribution is a kind of frequency distribution from the viewpoint of statistics, the distribution shape can be defined by the “distortion” and “kurtosis” of the distribution, which are generally used in statistics.

歪度S(Skewness)とは、分布の標準偏差の3乗の期待であり、分布の偏りを表す。歪度Sの定義から、正規分布はS=0、向かって左に偏るとS>0、向かって右に偏るとS<0である。   The skewness S (Skewness) is the expectation of the third power of the standard deviation of the distribution, and represents the bias of the distribution. From the definition of the skewness S, the normal distribution is S = 0, S> 0 when biased to the left, and S <0 when biased to the right.

尖度K(Kurtosis)とは、分布の標準偏差の4乗の期待値であり、分布のとがり具合を表す。尖度Kの定義の仕方にもよるが、通常正規分布はK=3、正規分布より鋭い「鋭峰分布」の場合はK>3、正規分布よりなまった「鈍峰分布」の場合はK<3である。   Kurtosis K is the expected value of the fourth power of the standard deviation of the distribution, and represents the sharpness of the distribution. Depending on how the kurtosis K is defined, the normal normal distribution is K = 3, K> 3 for the “sharp distribution” sharper than the normal distribution, and K for the “blunt distribution” rounded from the normal distribution <3.

なお、本発明において統計処理を行う際には、あらかじめ横軸の数値を10を底とする指数に読み換える。具体的には、1、10、100は、それぞれ10の0乗、1乗、2乗であるので、横軸の1μmに相当する位置は「0」、10μmは「1」、100μmは「2」と読み換える。それ以外の点も、同じく10を底とする指数に読み換えて統計処理を行う。1〜100μmの範囲でデータ点数80点の場合、指数に読み換えた後のデータ間隔は、2÷80=0.025である。   In the present invention, when performing statistical processing, the numerical value on the horizontal axis is read in advance as an index with 10 as the base. Specifically, since 1, 10 and 100 are 10 to the 0th power, 1st power and 2nd power, respectively, the position corresponding to 1 μm on the horizontal axis is “0”, 10 μm is “1”, and 100 μm is “2”. " In other respects, statistical processing is performed by replacing the index with a base of 10. In the case where the number of data points is 80 in the range of 1 to 100 μm, the data interval after rereading as an index is 2 ÷ 80 = 0.025.

式(1)、式(2)に、度数分布における歪度Sと尖度Kの定義式をそれぞれ示す。細孔分布に適用する場合は、まず指数表示された細孔径Xiと、対応する度数(強度)fiの積の総和を度数(強度)の総和で除し、期待値μを求める。このとき、定義式より、Zi=Xi−μの3乗の期待値が歪度Sであり、同じく4乗の期待値が尖度Kである。
…式(1)

…式(2)
Expressions (1) and (2) show definition expressions of the skewness S and the kurtosis K in the frequency distribution, respectively. When applying to the pore distribution, first, an expected value μ is obtained by dividing the sum of products of the pore diameter Xi indicated by the index and the corresponding frequency (strength) fi by the sum of the frequencies (strength). At this time, the expected value of the third power of Zi = Xi−μ is the skewness S, and the expected value of the fourth power is the kurtosis K from the definition formula.
... Formula (1)

... Formula (2)

細孔分布ピークの対称性が崩れる、すなわち左や右に歪んだようなピークを作ることができれば、細孔径が一様とは言えず、大小さまざまな細孔が存在することになる。そのような基材の場合、例えば生成水は接触角の観点から大きめの細孔を優先的に通過する一方、燃料ガスは水で閉塞していない小さめの細孔を通る、というように拡散経路がある程度分かれることが期待される。細孔分布ピークの対称性は、どちらかというと向かって右側に大きく偏っている(向かって左側に裾を引いている)形状が好ましい。細孔分布は、ある細孔径に相当する空隙(水銀圧入される空隙)が全部で容積としてどれくらいあるかを、細孔径についてプロットしたもの、と見ることができるから、細孔径の小さい方(向かって左側)の容積が大きい(強度がある)と、その分空隙数も多くなる。すなわち、ガスの経路と水の経路のバランスが良くなり、比較的低温かつ高電流密度領域においては排水性にすぐれ、高温・低加湿条件では保湿性にすぐれる。   If the symmetry of the pore distribution peak breaks, that is, a peak that is distorted to the left or right can be created, the pore diameter is not uniform, and there are pores of various sizes. In the case of such a substrate, for example, the generated water passes preferentially through larger pores in terms of contact angle, while the fuel gas passes through smaller pores that are not clogged with water. Is expected to be divided to some extent. The symmetry of the pore distribution peak is preferably a shape that is slightly biased to the right side (having a tail on the left side). The pore distribution can be seen as a plot of the pore size that represents the total volume of voids corresponding to a certain pore size (mercury-inserted voids). If the volume on the left side is large (there is strength), the number of voids increases accordingly. That is, the balance between the gas path and the water path is improved, the drainage is excellent in a relatively low temperature and high current density region, and the moisture retention is excellent in a high temperature / low humidification condition.

本発明の長尺の多孔質電極基材を連続製造する場合は、以下に述べる1〜4の四つの主要な工程を含むものが好ましい。すなわち、
1.炭素繊維(A)を水中に分散させて前駆体炭素繊維シート状物を製造する工程(前駆体用のシート状物製造工程1)、
2.前記前駆体用のシート状物に、フェノール樹脂及び/又は水分散性フェノール樹脂を添加する工程(樹脂添加工程2)
3.樹脂添加工程2の後に、前駆体シートを100〜400℃の温度で加熱加圧する工程(加熱加圧工程3)
4.加熱加圧工程3の後に前駆体炭素繊維シート(前駆体)を1000℃以上の温度
で炭素化処理する工程(炭素化処理工程4)。
When the long porous electrode substrate of the present invention is continuously produced, it is preferable to include the four main steps 1 to 4 described below. That is,
1. A step of producing a precursor carbon fiber sheet by dispersing the carbon fiber (A) in water (a precursor sheet production step 1),
2. Step of adding a phenol resin and / or a water-dispersible phenol resin to the precursor sheet (resin addition step 2)
3. Step of heating and pressurizing the precursor sheet at a temperature of 100 to 400 ° C. after the resin addition step 2 (heating and pressing step 3)
4). The process of carbonizing the precursor carbon fiber sheet (precursor) at a temperature of 1000 ° C. or higher after the heating and pressing process 3 (carbonization process 4).

前記前駆体シート製造工程1において、脱イオン水を使用することを含んでもよく、この水に炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)とを水中に分散させることを含んでもよく、この混合スラリーに更にポリビニルアルコールを5〜15重量%を添加してから抄造することも含んでいる。このとき抄造して得られる前駆体用のシート状物を前記樹脂添加工程2の前に90℃〜120℃で乾燥させる(第1乾燥処理工程6)とよい。   In the precursor sheet manufacturing step 1, deionized water may be used, and the carbon fiber (A), the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) are added to the water. Dispersing in water may also be included, and adding 5 to 15% by weight of polyvinyl alcohol to the mixed slurry and making paper may also be included. At this time, the sheet material for the precursor obtained by papermaking is preferably dried at 90 to 120 ° C. before the resin addition step 2 (first drying treatment step 6).

前記前駆体用のシート状物製造工程1において、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)とを水中に分散してシート状物を得るか、又は前記前駆体シート製造工程1と前記樹脂添加工程2との間に、シート状物を交絡処理する工程(交絡処理工程5)を含ませることにより、炭素繊維(A)が単繊維に開繊するのを助け、また前駆体炭素繊維シートの強度を上げることができる。   In the precursor sheet manufacturing step 1, whether the carbon fiber (A), the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibril fiber (b ′) is dispersed in water to obtain a sheet material. Alternatively, by including a step (entanglement treatment step 5) of entanglement of the sheet-like material between the precursor sheet manufacturing step 1 and the resin addition step 2, the carbon fiber (A) is opened to a single fiber. It helps to fiber and can increase the strength of the precursor carbon fiber sheet.

更に、前記樹脂添加工程2と前記炭素化処理工程4との間に、前駆体シートを100〜400℃の温度で加熱加圧する工程(加熱加圧工程3)を含ませることもできる。   Furthermore, a step of heating and pressing the precursor sheet at a temperature of 100 to 400 ° C. (heating and pressing step 3) may be included between the resin addition step 2 and the carbonization treatment step 4.

また、前記交絡処理した後のシート状物(交絡構造シート)を乾燥処理する第2乾燥処理工程7を更に含むことができる。その際、交絡処理したシート状物から分散媒を除去する観点から、交絡処理したシート状物を20〜200℃で再び乾燥処理するとよい。   Moreover, the 2nd drying process process 7 which dry-processes the sheet-like thing (entangled structure sheet | seat) after the said entanglement process can be further included. At that time, from the viewpoint of removing the dispersion medium from the entangled sheet material, the entangled sheet material may be dried again at 20 to 200 ° C.

炭素化工程3では、得られる多孔質電極基材に対する十分な導電性付与の観点から、炭素化処理は、不活性雰囲気下にて1000℃〜2400℃の温度範囲で行うことが好ましい。このとき、炭素化処理を行う前に、不活性雰囲気下にて300〜1000℃の温度範囲で前炭素化処理を行うことができる。この前炭素化処理を行うことによって、炭素化初期段階において発生するNaを多量に含む分解ガスが容易に出し切れるようになり、炭素化炉内壁への各種分解物の付着や堆積、或いはその分解物による腐食などの痛みや黒色のしみの発生を容易に抑制することができる。   In the carbonization step 3, the carbonization treatment is preferably performed in a temperature range of 1000 ° C. to 2400 ° C. in an inert atmosphere from the viewpoint of imparting sufficient conductivity to the obtained porous electrode substrate. At this time, before performing a carbonization process, a pre-carbonization process can be performed in the temperature range of 300-1000 degreeC by inert atmosphere. By performing this pre-carbonization treatment, the decomposition gas containing a large amount of Na generated in the initial stage of carbonization can be easily exhausted, and various decomposition products adhere to or deposit on the inner wall of the carbonization furnace, or decomposition products thereof. It is possible to easily suppress the occurrence of pain such as corrosion and black spots.

以下、各処理工程及びそこで使われる用語等について具体的に説明する。   Hereinafter, each processing step and terms used in the processing step will be specifically described.

<前駆体用のシート状物製造工程1>
炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)を水中に分散させることにより、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)とが絡み合うことでシート状物の強度が向上し、実質的にバインダーフリーとすることもできる。
<Precursor sheet manufacturing process 1>
By dispersing the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) together with the carbon fiber (A) in water, the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and / or By entangled with the fibrillar fibers (b ′), the strength of the sheet-like material is improved, and it can be made substantially binder-free.

なお、本発明においても、有機高分子化合物をバインダーとして用いてもよい。バ
インダーとして使用する有機高分子化合物は特に限定されないが、例えばポリビニルアルコール(PVA)や、熱融着するポリエステル系あるいはポリオレフィン系のバインダー等が挙げられる。バインダーは繊維や粒子のような固体状でも液体状でもよい。
In the present invention, an organic polymer compound may be used as a binder. The organic polymer compound used as the binder is not particularly limited, and examples thereof include polyvinyl alcohol (PVA) and polyester or polyolefin binders that are heat-sealed. The binder may be solid or liquid such as fibers or particles.

炭素繊維(A)、炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)等の繊維状物を分散させる媒体としては、例えば、水、アルコールなど、繊維状物が溶解しない媒体が挙げられるが、生産性の観点から、水が好ましい。   Examples of the medium in which the fibrous material such as the carbon fiber (A), the carbon fiber precursor fiber (b), and / or the fibrillar fiber (b ′) is dispersed include a medium in which the fibrous material does not dissolve, such as water and alcohol. From the viewpoint of productivity, water is preferable.

上記シート状物は、連続法とバッチ法のいずれによっても製造できるが、シート状物の生産性及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。シート状物の目付は、10〜200g/m程度であることが好ましい。また、シート状物の厚みは、20〜400μm程度であることが好ましい。 Although the said sheet-like material can be manufactured by any of a continuous method and a batch method, it is preferable to manufacture by a continuous method from a viewpoint of productivity and mechanical strength of a sheet-like material. The basis weight of the sheet is preferably about 10 to 200 g / m2. Moreover, it is preferable that the thickness of a sheet-like material is about 20-400 micrometers.

<樹脂添加工程2>
炭素繊維紙に含浸させる熱硬化性樹脂としては、常温において粘着性または流動性を示す樹脂で、かつ炭素化後も導電性物質として残存する物質が好ましく、フェノール樹脂、フラン樹脂等を用いることができる。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の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。ただし、この場合、硬化剤として例えばヘキサメチレンジアミンを含有した、自己架橋タイプとすることが好ましい。フェノール樹脂として、市販品を利用することも可能である。
<Resin addition process 2>
The thermosetting resin impregnated into the carbon fiber paper is preferably a resin that exhibits adhesiveness or fluidity at room temperature and remains as a conductive material even after carbonization, and a phenol resin, a furan resin, or the like is used. it can. As the phenol resin, a resol-type phenol resin obtained by a reaction between phenols and aldehydes in the presence of an alkali catalyst can be used. In addition, a novolac type phenolic resin which shows a solid heat-fusible property and is produced by the reaction of phenols and aldehydes under an acidic catalyst by a known method can be dissolved and mixed in the resol type flowable phenolic resin. . However, in this case, it is preferable to use a self-crosslinking type containing, for example, hexamethylenediamine as a curing agent. A commercially available product can be used as the phenol resin.

なお、フェノール類としては、例えば、フェノール、レゾルシン、クレゾール、キシロール等が用いられる。アルデヒド類としては、例えば、ホルマリン、パラホルムアルデヒド、フルフラール等が用いられる。また、これらを混合物として用いることができる。   As phenols, for example, phenol, resorcin, cresol, xylol and the like are used. As aldehydes, for example, formalin, paraformaldehyde, furfural and the like are used. Moreover, these can be used as a mixture.

炭素繊維紙に熱硬化性樹脂を含浸させて得られる樹脂含浸紙における熱硬化性樹脂の含有率は、30〜70質量%であることが好ましい。熱硬化性樹脂の含有率を30質量%以上とすることで、得られる多孔質炭素電極基材の構造が密になり、強度が高くなる。また、熱硬化性樹脂の含有率を70質量%以下とすることで、得られる多孔質炭素電極基材の空孔率およびガス透過性を良好に保つことができる。なお、樹脂含浸紙とは、加熱加圧前の、炭素繊維紙に熱硬化性樹脂を含浸したものをいうが、樹脂含浸の際に溶媒を用いた場合には溶媒を除去したものをいう。   The content of the thermosetting resin in the resin-impregnated paper obtained by impregnating the carbon fiber paper with the thermosetting resin is preferably 30 to 70% by mass. By setting the content of the thermosetting resin to 30% by mass or more, the structure of the obtained porous carbon electrode substrate becomes dense and the strength becomes high. Moreover, the porosity and gas permeability of the obtained porous carbon electrode base material can be kept favorable by making the content rate of a thermosetting resin into 70 mass% or less. The resin-impregnated paper refers to a paper obtained by impregnating a carbon fiber paper with a thermosetting resin before heating and pressurization, but when the solvent is used at the time of resin impregnation, it means a paper from which the solvent has been removed.

熱硬化性樹脂と導電性物質の混合物を炭素繊維紙に含浸させてもよい。導電性物質としては、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、黒鉛粉などが挙げられる。導電性物質の混合量は、熱硬化性樹脂に対して1〜50量%が好ましい。導電性物質の混合量を1質量%以上とすることで、導電性改善の効果が十分になる。また、導電性物質の混合量が50質量%を超えても導電性改善の効果が飽和する傾向にあるので、導電性物質の混合量が50質量%以下とすることでコストアップを抑制することができる。   Carbon fiber paper may be impregnated with a mixture of a thermosetting resin and a conductive material. Examples of the conductive material include carbonaceous milled fiber, carbon black, acetylene black, and graphite powder. The mixing amount of the conductive material is preferably 1 to 50% by weight with respect to the thermosetting resin. By setting the mixing amount of the conductive substance to 1% by mass or more, the effect of improving the conductivity becomes sufficient. Moreover, since the effect of improving the conductivity tends to be saturated even when the amount of the conductive material exceeds 50% by mass, the increase in cost can be suppressed by setting the amount of the conductive material to 50% by mass or less. Can do.

熱硬化性樹脂と場合により導電性物質とを含む溶液を炭素繊維紙に含浸する方法としては、絞り装置を用いる方法、または別途作製した熱硬化性樹脂フィルムを炭素繊維紙に重ねる方法が好ましい。絞り装置を用いる方法では、含浸溶液に炭素繊維紙を含浸し、絞り装置で取り込み液が炭素繊維紙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。溶液の粘度が比較的低い場合は、スプレー法等を用いることもできる。熱硬化樹脂フィルムを炭素繊維紙に重ねる方法では、まず熱硬化性樹脂と場合により導電性物質とを含む溶液を離型紙にコーティングし、熱硬化性樹脂フィルムとする。その後、炭素繊維紙に熱硬化性樹脂フィルムを積層して、加熱加圧処理を行い、熱硬化性樹脂を炭素繊維紙に含浸させる方法である。   As a method for impregnating carbon fiber paper with a solution containing a thermosetting resin and optionally a conductive material, a method using a squeezing device or a method of superimposing a separately prepared thermosetting resin film on carbon fiber paper is preferable. In the method using the squeezing device, the impregnation solution is impregnated with carbon fiber paper so that the intake liquid is uniformly applied to the entire carbon fiber paper with the squeezing device, and the amount of liquid is adjusted by changing the roll interval of the squeezing device. Is the method. When the viscosity of the solution is relatively low, a spray method or the like can be used. In the method of superposing a thermosetting resin film on carbon fiber paper, first, a release paper is coated with a solution containing a thermosetting resin and optionally a conductive substance to obtain a thermosetting resin film. Thereafter, a thermosetting resin film is laminated on the carbon fiber paper, a heat and pressure treatment is performed, and the carbon fiber paper is impregnated with the thermosetting resin.

上記フェノール樹脂固形分の付着量は、シート状物100質量部に対し、多孔質電極基材の機械的強度の観点から20質量部以上が好ましく、多孔質電極基材のガス透過度の観点から150質量部以下が好ましく、20〜120質量部がより好ましい。   The amount of the phenolic resin solid content is preferably 20 parts by mass or more from the viewpoint of the mechanical strength of the porous electrode substrate with respect to 100 parts by mass of the sheet-like material, and from the viewpoint of gas permeability of the porous electrode substrate. 150 mass parts or less are preferable and 20-120 mass parts is more preferable.

<炭素化処理工程4>
前駆体シートを炭素化処理する方法としては、室温からの連続昇温により炭素化するような方法であればよく、1000℃以上の温度で行う。なお、十分な導電性付与の観点から、炭素化処理は、不活性雰囲気下にて1000℃〜2400℃の温度範囲で行うことが好ましい。なお、炭素化処理工程を行う前に、不活性雰囲気下にて300〜1000℃の温度範囲で前炭素化処理を行ってもよい。前炭素化処理を行うことで炭素化初期段階において発生する分解ガスを容易に出し切ることができることから、炭素化炉内壁へのNaやCaなどの分解物の付着や堆積を容易に抑制することができるため、炉壁の腐食と前駆体シートに対する黒色のしみの発生を抑制できるようになる。
<Carbonization process 4>
As a method for carbonizing the precursor sheet, any method may be used as long as it is carbonized by continuous temperature rise from room temperature, and the temperature is 1000 ° C. or higher. In addition, it is preferable to perform a carbonization process in the temperature range of 1000 to 2400 degreeC by inert atmosphere from a viewpoint of sufficient electroconductivity provision. In addition, before performing a carbonization process, you may perform a precarbonization process in the temperature range of 300-1000 degreeC by inert atmosphere. By performing the pre-carbonization treatment, it is possible to easily take out the cracked gas generated in the initial stage of carbonization, so that it is possible to easily suppress the deposition and deposition of decomposition products such as Na and Ca on the inner wall of the carbonization furnace. Therefore, it becomes possible to suppress the corrosion of the furnace wall and the generation of black spots on the precursor sheet.

連続的に製造された前駆体シートを炭素化処理する場合は、製造コストの観点から、前駆体シートの全長にわたって連続で熱処理を行うことが好ましい。多孔質電極基材が長尺であれば、多孔質電極基材の生産性が高くなり、かつその後の膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)製造も連続で行うことができるので、燃料電池の製造コストの低減が図れる。また、多孔質電極基材や燃料電池の生産性及び製造コストの観点から、製造された多孔質電極基材を連続的に巻き取ることが好ましい。   When carbonizing the continuously manufactured precursor sheet, it is preferable to perform heat treatment continuously over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of manufacturing cost. If the porous electrode base material is long, the productivity of the porous electrode base material becomes high, and the subsequent membrane-electrode assembly (MEA) production can also be performed continuously. The manufacturing cost of the battery can be reduced. Moreover, it is preferable to wind up the manufactured porous electrode base material continuously from a viewpoint of productivity and manufacturing cost of a porous electrode base material and a fuel cell.

<交絡処理工程5>
シート状物を交絡処理することで、炭素繊維(A)が3次元に交絡した交絡構造を有
するシート(交絡構造シート)を形成することができる。シート状物製造工程1において、炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)を分散させた場合は、シート状物を交絡処理することで、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)とが3次元に交絡した交絡構造を有するシート(交絡構造シート)を形成することができる。
<Entanglement process 5>
By performing the entanglement treatment on the sheet-like material, a sheet (entangled structure sheet) having an entangled structure in which the carbon fibers (A) are entangled three-dimensionally can be formed. In the sheet-like product manufacturing step 1, when the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) is dispersed together with the carbon fiber (A), the sheet-like product is entangled, A sheet (entangled structure sheet) having an entangled structure in which the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) are entangled three-dimensionally can be formed.

交絡処理は、交絡構造を形成す方法から必要に応じて選択することができ、特に限定されない。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、あるいはこれらの組み合わせによる方法で行うことができる。交絡処理工程での炭素繊維(A)の破断を容易に抑制することができ、かつ適切な交絡性が容易に得られるという点で、高圧液体噴射法が好ましい。   The entanglement process can be selected as necessary from the method of forming the entangled structure, and is not particularly limited. 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 in that the breakage of the carbon fiber (A) in the entanglement treatment step can be easily suppressed and appropriate entanglement can be easily obtained.

以下、前記高圧液体噴射法について詳しく説明する。   Hereinafter, the high-pressure liquid injection method will be described in detail.

高圧液体噴射処理とは、実質的に表面平滑な支持部材上にシート状物を載せ、例えば1MPa以上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、シート状物中の炭素繊維(A)を交絡させる処理方法である。シート状物製造工程1において、炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)を分散させた場合は、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)とを交絡させる。ここで、実質的に表面平滑な支持部材としては、得られる交絡構造体に支持部材の模様が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メッシュの金網またはプラスチックネットあるいはロール等を挙げることができる。   The high-pressure liquid ejecting process is a process in which a sheet-like material is placed on a substantially smooth support member, and a liquid columnar flow, a liquid fan-shaped flow, a liquid slit flow, or the like ejected at a pressure of 1 MPa or more, for example, It is the processing method which entangles the carbon fiber (A) in a sheet-like material. When the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) is dispersed together with the carbon fiber (A) in the sheet-like product manufacturing step 1, the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor are dispersed. The fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) is entangled. Here, the support member having a substantially smooth surface is selected as necessary from the one in which the pattern of the support member is not formed on the resulting entangled structure and the ejected liquid is quickly removed. Can be used. Specific examples thereof include a 30-200 mesh wire net, a plastic net, or a roll.

実質的に表面平滑な支持部材上で、炭素繊維(A)を含むシート状物を製造した後に、続けて高圧液体噴射処理等による交絡処理を連続的に行うことが、生産性の観点から好ましい。   From the viewpoint of productivity, it is preferable to continuously perform a confounding process such as a high-pressure liquid injection process after producing a sheet-like material containing carbon fiber (A) on a substantially smooth support member. .

シート状物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。すなわち、シート状物の高圧液体噴射処理を行った後、さらにシート状物を積層し、高圧液体噴射処理を行ってもよいし、できつつある交絡した構造を有するシート状物(交絡構造シート状物)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 confounding process by high-pressure liquid injection of the sheet-like material may be repeated a plurality of times. That is, after performing the high-pressure liquid injection treatment of the sheet-like material, the sheet-like material may be further laminated and the high-pressure liquid injection treatment may be performed, or a sheet-like material having an entangled structure (entangled structure sheet shape) The object) may be turned over, and the high-pressure liquid injection process may be performed from the opposite side. These operations may be repeated.

高圧液体噴射処理に用いる液体は、処理される繊維を溶解しない溶剤であれば特に制限されないが、通常は脱イオン水を用いることが好ましい。水は、温水でもよい。高圧液体噴射ノズル中のそれぞれの噴射ノズル孔径は、柱状流の場合、0.06〜1.0mmが好ましく、0.1〜0.3mmがより好ましい。ノズル噴射孔と積層体の間の距離は、0.5〜5cmが好ましい。液体の圧力は、繊維の交絡の観点から1MPa以上が好ましく、より好ましくは1.5MPa以上で、交絡処理は、1列でも複数列でもよい。複数列行う場合、シート状物形態維持の観点から1列目よりも2列目以降の高圧液体噴射処理で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 is not particularly limited as long as it is a solvent that does not dissolve the fiber to be treated, but it is usually preferable to use deionized water. The water may be warm water. In the case of a columnar flow, each jet nozzle hole diameter in the high-pressure liquid jet nozzle is preferably 0.06 to 1.0 mm, and more preferably 0.1 to 0.3 mm. The distance between the nozzle injection hole and the laminate is preferably 0.5 to 5 cm. The pressure of the liquid is preferably 1 MPa or more from the viewpoint of fiber entanglement, more preferably 1.5 MPa or more, and the entanglement treatment may be performed in one or more rows. When performing multiple rows, it is effective to increase the pressure in the second and subsequent high-pressure liquid ejection processes from the first row from the viewpoint of maintaining the sheet form.

交絡構造シートを連続的に製造すると、シート化方向に筋状の軌跡パターンが形成され、シートに疎密構造が生じる場合がある。しかし、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ることにより、前記軌跡パターン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、シート幅方向に引張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 the entangled structure sheet is continuously manufactured, a streak-like trajectory pattern is formed in the sheeting direction, and a dense structure may occur in the sheet. However, the trajectory pattern can be suppressed by vibrating a high-pressure liquid jet nozzle including one or more rows of nozzle holes in the width direction of the sheet. By suppressing the streaky trajectory pattern in the sheet forming direction, the tensile strength can be expressed in the sheet width direction. Further, when a plurality of high-pressure liquid jet nozzles having one or a plurality of rows of nozzle holes are used, the frequency of vibrating the high-pressure liquid jet nozzles in the width direction of the sheet and the phase difference thereof are controlled so that the entangled structure sheet It is also possible to suppress the periodic pattern appearing in.

交絡処理工程によりシートの引張強度が向上するため、水中あるいは湿潤状態でもシートの引張強度を維持できる。これにより、交絡処理したシートに連続して水分散性樹脂または水溶性樹脂を添加することが可能となる。さらに、水分散性樹脂または水溶性樹脂の使用により有機溶媒の回収もせずに済むため、従来よりも製造設備を簡略化でき、製造コストを低減することができる。   Since the tensile strength of the sheet is improved by the entanglement process, the tensile strength of the sheet can be maintained even in water or in a wet state. Thereby, it becomes possible to add water-dispersible resin or water-soluble resin continuously to the entangled sheet. Furthermore, since it is not necessary to recover the organic solvent by using a water-dispersible resin or a water-soluble resin, the manufacturing equipment can be simplified and the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional case.

<加熱加圧工程3>
従来は、多孔質電極基材の厚みバラつきを低減させ、さらに、交絡処理をした場合は、シート表面に毛羽立った状態となった繊維の、シート表面近傍における毛羽立ちを抑制し、燃料電池として組み込んだ際の短絡電流やガスリークを抑制するという観点から、前駆体シートを100〜400℃の温度で加熱加圧した。この加熱加圧工程3は、シート状物製造工程1において、炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)を分散させた場合は、炭素繊維(A)を炭素繊維前駆体繊維(b)及び/又はフィブリル状繊維(b’)で融着させるという効果も有する。
<Heating and pressing step 3>
Conventionally, the thickness variation of the porous electrode substrate is reduced, and further, when entangled, the fluffy fiber on the sheet surface is suppressed in the vicinity of the sheet surface and incorporated as a fuel cell. The precursor sheet was heated and pressurized at a temperature of 100 to 400 ° C. from the viewpoint of suppressing short circuit current and gas leakage. This heating and pressurizing step 3 is a carbon fiber when the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) is dispersed together with the carbon fiber (A) in the sheet-like material manufacturing step 1. There is also an effect that (A) is fused with the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′).

加熱加圧の方法としては、前駆体シートを挟むための一対の加熱加圧媒体によって均等に加熱加圧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、熱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。連続的に製造される前駆体シートを加熱加圧する場合には、熱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好ましい。または、前駆体シートの間欠的な搬送と、平滑な剛板による間欠的な熱プレスを組み合わせる方法でも良い。これらの方法によって、上述した炭素化処理工程4を連続して行うことができる。   As a method of heating and pressing, any technique can be applied as long as it is a technique that can uniformly heat and press with a pair of heating and pressing media for sandwiching the precursor sheet. For example, a method of hot pressing a flat rigid plate on both sides of the precursor sheet, a method of using a hot roll press device or a continuous belt press device can be mentioned. In the case of heating and pressurizing a continuously produced precursor sheet, a method using a hot roll press device or a continuous belt press device is preferable. Or the method of combining intermittent conveyance of a precursor sheet | seat and intermittent heat press with a smooth rigid board may be sufficient. By these methods, the carbonization process 4 mentioned above can be performed continuously.

本発明においては、予熱段階でも、前記一対の加熱加圧媒体(平滑な剛板、熱ロール、ベルト)の間に一定のクリアランスを設けることが好ましい。このクリアランスを調整することにより、有機高分子化合物バインダーと樹脂との混合状態(相分離状態)を制御することができるためである。加熱加圧の工程では、有機高分子化合物バインダーと熱硬化性樹脂がある混合状態(相分離状態)を維持したまま熱硬化性樹脂が硬化したものが形成される。その後炭素化することで、有機高分子化合物バインダーは消失し、一方、熱硬化性樹脂は樹脂炭化物として残ることにより、炭素繊維間で形成される細孔よりサイズの小さい細孔が形成する。   In the present invention, it is preferable to provide a certain clearance between the pair of heating and pressing media (smooth rigid plate, heat roll, belt) even in the preheating stage. This is because the mixed state (phase separation state) of the organic polymer compound binder and the resin can be controlled by adjusting the clearance. In the heating and pressurizing step, the cured thermosetting resin is formed while maintaining a mixed state (phase separation state) in which the organic polymer compound binder and the thermosetting resin are present. By subsequent carbonization, the organic polymer compound binder disappears, while the thermosetting resin remains as a resin carbide, thereby forming pores smaller in size than pores formed between carbon fibers.

つまり、有機高分子化合物バインダーと熱硬化性樹脂の混合状態(相分離状態)が変わると、焼失する有機高分子化合物バインダーの分布も変化するため、炭素化処理後の多孔質電極基材の細孔分布も変化するということである。変化の挙動は、具体的には以下の<1>〜<4>の4つに大別される。   In other words, when the mixed state (phase separation state) of the organic polymer compound binder and the thermosetting resin changes, the distribution of the burned organic polymer compound binder also changes. The pore distribution also changes. Specifically, the change behavior is roughly divided into the following four <1> to <4>.

<1> 一対の加熱加圧媒体のクリアランスが200μm程度より広い場合は、有機高分子化合物バインダーが圧力に押しつぶされず、熱硬化性樹脂と有機高分子化合物バインダーの間で完全に相分離が進む。その結果、炭素化後は、径の小さい網目が一定の大きさで形成されるため、歪度の小さい2山のピークが形成される。   <1> When the clearance between the pair of heating and pressurizing media is wider than about 200 μm, the organic polymer compound binder is not crushed by pressure, and phase separation proceeds completely between the thermosetting resin and the organic polymer compound binder. As a result, after carbonization, a mesh with a small diameter is formed with a constant size, so that two peaks with low distortion are formed.

<2> 一対の加熱加圧媒体のクリアランスが150μm程度の場合は、大部分で相分離が進むが、一部相分離しない部分が生じる。その結果、本発明にて定義した歪度の大きな2山ピークが形成される。   <2> When the clearance between the pair of heating and pressurizing media is about 150 μm, the phase separation proceeds in most part, but a part where the phase separation does not occur partly occurs. As a result, a two-peak peak having a high degree of distortion defined in the present invention is formed.

<3> 一対の加熱加圧媒体のクリアランスが100μm程度の場合は、部分的に相分離が起こる。その結果、相分離が進んだ部分のみわずかに細孔径が小さくなるのみであり、2山ピークとはならない。   <3> When the clearance between the pair of heating and pressurizing media is about 100 μm, phase separation partially occurs. As a result, only the portion where the phase separation has advanced is slightly reduced in pore diameter, and does not form a double peak.

<4> 一対の加熱加圧媒体のクリアランスが50μm程度より狭い場合は、予熱段階でシートに大きな圧力がかかることで熱硬化性樹脂と有機高分子化合物が自由に流動することができない。そのため、網目構造は形成されず、歪度の小さい1山のピークが形成される。   <4> When the clearance between the pair of heating and pressurizing media is narrower than about 50 μm, the thermosetting resin and the organic polymer compound cannot freely flow because a large pressure is applied to the sheet in the preheating stage. Therefore, a network structure is not formed, and a single peak having a low degree of distortion is formed.

本発明においては、一対の加熱加圧媒体のクリアランスを110μm以上190μm以下にすることが、好ましい。さらに好ましくは、125μm以上175μm以下である。一対の加熱加圧媒体のクリアランスが、110μmより狭い時は、有機高分子化合物バインダーがロール圧力に押しつぶされて、相分離が部分的にしか起こらないため、2山ピークが形成されない。   In the present invention, it is preferable that the clearance between the pair of heating and pressurizing media is 110 μm or more and 190 μm or less. More preferably, it is 125 μm or more and 175 μm or less. When the clearance between the pair of heating and pressurizing media is narrower than 110 μm, the organic polymer compound binder is crushed by the roll pressure, and phase separation occurs only partially, so that no two peaks are formed.

また、一対の加熱加圧媒体のクリアランスが、190μmより広い時は、有機高分子化合物バインダーがロール圧力に押しつぶされず、完全に相分離が進み、径の小さい網目が比較的決まった大きさで形成されるため、歪度の小さい2山ピークができる。   In addition, when the clearance between the pair of heating and pressurizing media is wider than 190 μm, the organic polymer compound binder is not crushed by the roll pressure, phase separation proceeds completely, and a network having a small diameter is formed with a relatively fixed size. As a result, a two-peak peak with a low degree of distortion is formed.

加熱加圧における圧力は特に限定されないが、前駆体シート中における炭素繊維前駆体繊維(b)の含有比率が高い場合は、圧力が低くても容易に樹脂添加シートの表面を容易に平滑にすることができる。加熱加圧における圧力は、20kPa〜10MPaが好ましい。圧力が10MPa以下であれば、加熱加圧時に炭素繊維(A)が破壊されることを容易に防ぐことができ、多孔質電極基材に適切な緻密性を容易に付与することができる。圧力が20kPa以上であれば、表面を容易に平滑にすることができる。   The pressure in heating and pressurization is not particularly limited, but when the content ratio of the carbon fiber precursor fiber (b) in the precursor sheet is high, the surface of the resin-added sheet can be easily smoothed even if the pressure is low. be able to. The pressure in the heating and pressing is preferably 20 kPa to 10 MPa. When the pressure is 10 MPa or less, it is possible to easily prevent the carbon fiber (A) from being destroyed during heating and pressurization, and it is possible to easily impart appropriate denseness to the porous electrode substrate. If the pressure is 20 kPa or more, the surface can be easily smoothed.

前駆体シートを2枚の剛板に挟んで、または熱ロールプレス装置や連続ベルトプレス装置で加熱加圧するときは、剛板やロール、ベルトに繊維状物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や熱ロール、ベルトとの間に離型紙を挟むことが好ましい。   When the precursor sheet is sandwiched between two rigid plates, or heated and pressed with a hot roll press or continuous belt press, a release agent should be applied in advance so that fibrous materials do not adhere to the rigid plate, roll, or belt. It is preferable to coat or release paper between a precursor sheet and a rigid plate, a heat roll, or a belt.

<第1乾燥処理工程6>
本発明の製造方法は、樹脂添加工程2と加熱加圧工程3との間に、前駆体シートを乾燥処理する工程6をさらに含むことができる。これにより、加熱加圧工程3で分散媒や未反応モノマーを除去するためのエネルギーを容易に低減することができ好ましい。
<First drying treatment step 6>
The production method of the present invention may further include a step 6 of drying the precursor sheet between the resin addition step 2 and the heating and pressing step 3. Thereby, the energy for removing the dispersion medium and unreacted monomer in the heating and pressurizing step 3 can be easily reduced, which is preferable.

その際、前駆体シートから分散媒や未反応モノマーを除去する観点から、90〜120℃の温度で前駆体シートを乾燥処理することが好ましい。乾燥処理の時間は、例えば1分間〜24時間とすることができる。   In that case, it is preferable to dry-process a precursor sheet | seat at the temperature of 90-120 degreeC from a viewpoint of removing a dispersion medium and an unreacted monomer from a precursor sheet | seat. The time for the drying treatment can be, for example, 1 minute to 24 hours.

乾燥処理の方法としては、特に限定されないが、高温雰囲気炉や遠赤外線加熱炉による熱処理や、熱板や熱ロールなどによる直接加熱処理などが適用できる。加熱源への熱硬化性樹脂の付着を抑制できる点で、高温雰囲気炉や遠赤外線加熱炉による乾燥処理が好ましい。連続的に製造された前駆体シートを乾燥処理する場合は、製造コストの観点から、前駆体シートの全長にわたって連続で乾燥処理を行うことが好ましい。これにより、第1乾燥処理工程6に続いて加熱加圧工程3を連続して行うことができる。   The drying method is not particularly limited, and heat treatment using a high-temperature atmosphere furnace or far-infrared heating furnace, direct heat treatment using a hot plate, a hot roll, or the like can be applied. The drying process by a high temperature atmosphere furnace or a far-infrared heating furnace is preferable at the point which can suppress adhesion of the thermosetting resin to a heating source. When drying the precursor sheet manufactured continuously, it is preferable to perform the drying process continuously over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of manufacturing cost. Thereby, the heating and pressurizing step 3 can be continuously performed following the first drying treatment step 6.

<第2乾燥処理工程7>
本発明の製造方法は、交絡処理工程5と樹脂添加工程2との間に、交絡処理したシート状物(交絡構造シート)を乾燥処理する第2乾燥処理工程7を更に含むことができる。その際、交絡処理したシート状物から分散媒を除去する観点から、20〜200℃で交絡処理したシート状物を乾燥処理することが好ましい。乾燥処理の時間は、例えば1分間〜24時間とすることができる。
<Second drying treatment step 7>
The production method of the present invention can further include a second drying treatment step 7 for drying the entangled sheet-like material (entangled structure sheet) between the entanglement treatment step 5 and the resin addition step 2. At that time, from the viewpoint of removing the dispersion medium from the entangled sheet material, it is preferable to dry the entangled sheet material at 20 to 200 ° C. The time for the drying treatment can be, for example, 1 minute to 24 hours.

乾燥処理の方法としては、特に限定されないが、高温雰囲気炉や遠赤外線加熱炉による熱処理や、熱板や熱ロールなどによる直接加熱処理などが適用できる。交絡処理したシートを構成する繊維の、加熱源への付着を抑制できる点で、高温雰囲気炉や遠赤外線加熱炉による乾燥処理が好ましい。連続的に製造された交絡処理したシート状物を乾燥処理する場合は、製造コストの観点から、交絡処理したシート状物の全長にわたって連続で乾燥処理を行うことが好ましい。これにより、交絡処理工程5の後に第2乾燥処理工程7を連続して行うことができる。   The drying method is not particularly limited, and heat treatment using a high-temperature atmosphere furnace or far-infrared heating furnace, direct heat treatment using a hot plate, a hot roll, or the like can be applied. The drying process by a high temperature atmosphere furnace or a far-infrared heating furnace is preferable at the point which can suppress adhesion to the heating source of the fiber which comprises the sheet | seat which carried out the confounding process. In the case of drying the entangled sheet material produced continuously, it is preferable to continuously perform the drying treatment over the entire length of the entangled sheet material from the viewpoint of production cost. Thereby, the 2nd drying process 7 can be performed continuously after the confounding process 5.

<炭素繊維前駆体繊維(b)>
炭素繊維前駆体繊維(b)は、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。また、この長繊維状の炭素繊維前駆体繊維は、後述するポリマー(例えば、アクリル系ポリマー)から構成されることができる。
<Carbon fiber precursor fiber (b)>
The carbon fiber precursor fiber (b) can be obtained by cutting long carbon fiber precursor fibers to an appropriate length. Moreover, this long-fiber-like carbon fiber precursor fiber can be comprised from the polymer (for example, acrylic polymer) mentioned later.

炭素繊維前駆体繊維(b)の平均繊維長は、分散性の点から、2〜20mmが好ましい。炭素繊維前駆体繊維(b)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、炭素繊維前駆体繊維(b)の平均繊維径は、加熱加圧する工程5及び炭素化処理する工程3における収縮による破断を容易に抑制するため、5μm以下であることが好ましい。また、紡糸性の観点から、炭素繊維前駆体繊維(b)の平均繊維径は、1μm以上であることが好ましい。   The average fiber length of the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably 2 to 20 mm from the viewpoint of dispersibility. The cross-sectional shape of the carbon fiber precursor fiber (b) is not particularly limited, but those having high roundness are preferred from the viewpoint of mechanical strength after carbonization and production cost. In addition, the average fiber diameter of the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably 5 μm or less in order to easily suppress breakage due to shrinkage in the heating and pressurizing step 5 and the carbonization treatment step 3. From the viewpoint of spinnability, the average fiber diameter of the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably 1 μm or more.

炭素繊維前駆体繊維(b)を構成するポリマーは、炭素化後にシート形態を維持する観点から、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。   From the viewpoint of maintaining the sheet form after carbonization, the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber (b) preferably has a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization process. Examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers.

炭素繊維前駆体繊維(b)に用いるアクリル系ポリマーは、アクリロニトリルの単独重合体でもよく、アクリロニトリルとその他のモノマーとを共重合体でもよい。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。   The acrylic polymer used for the carbon fiber precursor fiber (b) 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.

また、紡糸性と、低温から高温にかけて炭素繊維(A)同士を接合させることができ、炭素化処理時の残存質量が大きい点と、更に上述した交絡処理を行う際の繊維弾性、繊維強度を考慮すると、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。   In addition, the spinnability, the carbon fibers (A) can be bonded to each other from low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization treatment is large, and the fiber elasticity and fiber strength at the time of performing the above-described entanglement treatment. In consideration, it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile units.

炭素繊維前駆体繊維(b)に用いるアクリロニト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、5万〜100万が好ましい。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。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 acrylonitrile-based polymer used for the carbon fiber precursor fiber (b) is not particularly limited, but is preferably 50,000 to 1,000,000. When the weight average molecular weight 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 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.

燃料電池セルの中でペーパー状の多孔質電極基材がそのまま使われることはほとんどなく、通常は、MPLと呼ばれる、撥水剤とカーボン粉からなるコーティング加工が施された上で、セルに搭載される。本発明の多孔質電極基材は、MPLがなくても良好な発電性能を示すが、MPLを追加しても良い。また、MPLの有無に関わらず、多孔質電極基材に対する撥水処理は施すことが好ましい。   Paper-like porous electrode base materials are rarely used as they are in fuel cells, and are usually mounted on the cells after being coated with a water repellent and carbon powder called MPL. Is done. Although the porous electrode base material of the present invention exhibits good power generation performance without MPL, MPL may be added. Moreover, it is preferable to perform the water-repellent treatment on the porous electrode substrate regardless of the presence or absence of MPL.

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の乾燥を抑制して適度なプロトン伝導を維持
するために、加湿された燃料が供給される。さらに、カソード側においては電極反応生成物としての水(水蒸気)が発生するが、これが凝縮して液体水となり、多孔質電極基材の空隙を塞いでガス透過を妨げる場合がある。そこで、ガス透過性を確保するため、撥水剤によって撥水処理を施されることが多い。
In the polymer electrolyte fuel cell, humidified fuel is supplied to suppress drying of the polymer electrolyte membrane and maintain appropriate proton conduction. Furthermore, water (water vapor) as an electrode reaction product is generated on the cathode side, but this may condense and become liquid water, which may block gas permeation by closing voids in the porous electrode substrate. Therefore, in order to ensure gas permeability, water repellent treatment is often performed with a water repellent.

撥水剤としては、化学的に安定でかつ高い撥水性を有するフッ素系樹脂やケイ素樹脂(シリコーン)等が挙げられるが、シリコーンは耐酸性が低く、強酸性である高分子電解質膜と接触させることができないため、もっぱらフッ素系樹脂が用いられる。   Examples of water repellents include fluorine-based resins and silicon resins (silicones) that are chemically stable and have high water repellency. Silicone is low in acid resistance and is in contact with a highly acidic polymer electrolyte membrane. Since it cannot be used, a fluororesin is exclusively used.

フッ素系樹脂としては、特に限定されないが、テトラフルオロエチレン(TFE)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、フッ化ビニリデン(VDF)、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フッ化ビニル、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロ(アリルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブテニルビニルエーテル)(PBVE)、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(PDD)等のフッ素系モノマーの単独重合物または共重合物を用いることができる。また、これらとエチレンに代表されるオレフィン類との共重合物であるエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等も用いることができる。これらのフッ素系樹脂の形態としては、溶媒に溶解した状態のものや、粒状の形態で水やアルコールなどの分散媒に分散している状態のものが、含浸性の観点で好ましい。溶液、分散液、あるいは粒状の形態で市販品の調達が容易なものとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等があり、これらを用いることが取扱性、製造コストの観点からは好ましい。   The fluororesin is not particularly limited, but tetrafluoroethylene (TFE), hexafluoropropylene (HFP), vinylidene fluoride (VDF), chlorotrifluoroethylene (CTFE), vinyl fluoride, perfluoroalkyl vinyl ether, par Homopolymers or copolymers of fluorine monomers such as fluoro (allyl vinyl ether), perfluoro (butenyl vinyl ether) (PBVE), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (PDD) are used. be able to. Further, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), an ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), or the like, which is a copolymer of these and olefins typified by ethylene, can also be used. As a form of these fluororesins, those dissolved in a solvent and those dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol in a granular form are preferable from the viewpoint of impregnation. Commercially available products in the form of solutions, dispersions, or granules include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl. There are vinyl ether (PFA), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc., and it is preferable to use these from the viewpoints of handleability and manufacturing cost.

多孔質電極基材への撥水処理の方法としては、フッ素系樹脂の微粒子が分散した分散液(ディスパージョン)中に多孔質電極基材を浸漬させる含浸法(ディップ法)、分散液を噴霧するスプレー法などを用いることができる。フッ素系樹脂ディスパージョンの濃度は特に限定されないが、多孔質電極基材の空隙を埋めることなく、かつ一様にフッ素系樹脂を付着させるために固形分1〜30重量%程度が好ましい。10〜30重量%がより好ましく、15〜25重量%が特に好ましい。   As a method of water repellent treatment to the porous electrode base material, an impregnation method (dip method) in which the porous electrode base material is immersed in a dispersion liquid (dispersion) in which fine particles of fluororesin are dispersed, or a dispersion liquid is sprayed. A spray method or the like can be used. The concentration of the fluororesin dispersion is not particularly limited, but is preferably about 1 to 30% by weight in order to deposit the fluororesin uniformly without filling the voids of the porous electrode substrate. 10-30 weight% is more preferable, and 15-25 weight% is especially preferable.

フッ素系樹脂としてPTFEを用いる場合には、PTFEを焼結する方が好ましい。焼結温度は、PTFEが軟化して炭素繊維や樹脂炭化物に結着し、かつPTFEが熱分解しない温度範囲でなければならない。300〜390℃がより好ましく、320〜360℃が特に好ましい。   When PTFE is used as the fluororesin, it is preferable to sinter PTFE. The sintering temperature must be within a temperature range in which PTFE is softened and bound to carbon fiber or resin carbide, and PTFE is not thermally decomposed. 300-390 degreeC is more preferable, and 320-360 degreeC is especially preferable.

フッ素系樹脂は、炭素繊維が樹脂炭化物により結着された多孔質電極基材中の巨視的な導電経路を外側から被覆するように付与される。すなわち、フッ素系樹脂は炭素繊維と樹脂炭化物からなる導電経路を分断することなく、同導電経路の表面に存在する。ただし、フッ素系樹脂の多くは繊維同士の交差点近傍に凝集しており、多孔質電極基材を構成する炭素繊維や樹脂炭化物の表面が隙間なくフッ素系樹脂に被覆されるわけではない。従って、撥水処理後においても基材表面から基材内部へと連なる導電経路は確保され、撥水性と導電性を両立させることができる。   The fluorine-based resin is applied so as to cover the macroscopic conductive path in the porous electrode base material in which the carbon fiber is bound by the resin carbide from the outside. That is, the fluororesin exists on the surface of the conductive path without dividing the conductive path made of carbon fiber and resin carbide. However, most of the fluorine-based resins are aggregated in the vicinity of the intersection of the fibers, and the surface of the carbon fiber or the resin carbide constituting the porous electrode base material is not necessarily covered with the fluorine-based resin without a gap. Therefore, even after the water repellent treatment, a conductive path that continues from the substrate surface to the inside of the substrate is secured, and both water repellency and conductivity can be achieved.

フッ素系樹脂の添加回数は特に限定されないが、添加回数を少なくする方が製造コストを低減できるという観点で好ましい。添加回数を複数回とする場合、添加するフッ素系樹脂のスラリーは同一のものを用いても、スラリー濃度やフッ素系樹脂の種類が異なるスラリーを用いても良い。また、フッ素系樹脂の添加量は多孔質電極基材の厚さ方向に均一であっても、濃度勾配があっても良い。   The number of additions of the fluororesin is not particularly limited, but it is preferable to reduce the number of additions from the viewpoint of reducing the manufacturing cost. When the number of times of addition is multiple, the same fluororesin slurry may be used, or slurries with different slurry concentrations or different fluororesin types may be used. Further, the addition amount of the fluorine-based resin may be uniform in the thickness direction of the porous electrode substrate or may have a concentration gradient.

コーティング層に用いるカーボン粉は、たとえば、黒鉛粉やカーボンブラックなどを用いることができる。例えばアセチレンブラック(例えば電気化学工業(株)製のデンカブラック)、ケッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetjenBlackEC)、ファーネスブラック(例えばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いることができる。カーボン粉を用いる割合としては、カーボン粉を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜30%となるように用いることが好ましい。撥水剤としては、化学的に安定でかつ高い撥水性を有するフッ素系樹脂やケイ素樹脂(シリコーン)等が挙げられるが、シリコーンは耐酸性が低く、強酸性である高分子電解質膜と接触させることができないため、もっぱらフッ素系樹脂が用いられる。   As the carbon powder used for the coating layer, for example, graphite powder or carbon black can be used. For example, acetylene black (for example, Denka black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), ketjen black (for example KetjenBlackEC manufactured by Lion Corporation), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT) and the like can be used. The proportion of the carbon powder used is preferably such that the concentration when the carbon powder is dispersed in a solvent is 5 to 30%. Examples of water repellents include fluorine-based resins and silicon resins (silicones) that are chemically stable and have high water repellency. Silicone is low in acid resistance and is in contact with a highly acidic polymer electrolyte membrane. Since it cannot be used, a fluororesin is exclusively used.

フッ素系樹脂としては、特に限定されないが、テトラフルオロエチレン(TFE)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、フッ化ビニリデン(VDF)、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フッ化ビニル、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロ(アリルビニルエーテル)、パーフルオロ(ブテニルビニルエーテル)(PBVE)、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(PDD)等のフッ素系モノマーの単独重合物または共重合物を用いることができる。また、これらとエチレンに代表されるオレフィン類との共重合物であるエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等も用いることができる。これらのフッ素系樹脂の形態としては、溶媒に溶解した状態のものや、粒状の形態で水やアルコールなどの分散媒に分散している状態のものが、含浸性の観点で好ましい。溶液、分散液、あるいは粒状の形態で市販品の調達が容易なものとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等があり、これらを用いることが取扱性、製造コストの観点からは好ましい。撥水剤を用いる割合としては、撥水剤を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜60%となるように用いることが好ましい。   The fluororesin is not particularly limited, but tetrafluoroethylene (TFE), hexafluoropropylene (HFP), vinylidene fluoride (VDF), chlorotrifluoroethylene (CTFE), vinyl fluoride, perfluoroalkyl vinyl ether, par Homopolymers or copolymers of fluorine monomers such as fluoro (allyl vinyl ether), perfluoro (butenyl vinyl ether) (PBVE), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (PDD) are used. be able to. Further, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), an ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), or the like, which is a copolymer of these and olefins typified by ethylene, can also be used. As a form of these fluororesins, those dissolved in a solvent and those dispersed in a dispersion medium such as water or alcohol in a granular form are preferable from the viewpoint of impregnation. Commercially available products in the form of solutions, dispersions, or granules include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl. There are vinyl ether (PFA), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc., and it is preferable to use these from the viewpoints of handleability and manufacturing cost. The ratio of the water repellent used is preferably such that the concentration when the water repellent is dispersed in the solvent is 5 to 60%.

カーボン粉および撥水剤を分散させる溶媒としては、水や有機溶媒を用いることができる。有機溶媒の危険性、コスト及び環境負荷の観点から、水を使用することが好ましい。有機溶媒を使用する際には、水と混合可能な溶媒である低級アルコールやアセトンなどの使用が好ましい。これら有機溶媒を用いる割合としては、水1に対して0.5〜2の比率で用いることが好ましい。   Water or an organic solvent can be used as a solvent for dispersing the carbon powder and the water repellent. From the viewpoint of the risk of organic solvents, cost, and environmental load, it is preferable to use water. When an organic solvent is used, it is preferable to use a lower alcohol, acetone or the like that is a solvent that can be mixed with water. As a ratio of using these organic solvents, it is preferable to use them at a ratio of 0.5 to 2 with respect to water 1.

カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層とは、カーボン粉がバインダーである撥水剤によって結合されたものである。言い換えれば、撥水剤によって形成されるネットワーク中にカーボン粉が取り込まれ、微細な網目構造を有する。コーティング層を形成させる際に、組成物の一部が多孔質電極基材へとしみこむため、コーティング層と多孔質電極基材との明確な境界線の定義は困難であるが、本発明においてはコーティング層組成物の多孔質電極基材へのしみこみが生じていない部分、すなわちカーボン粉と撥水剤のみから構成される層のみをコーティング層と定義する。   The coating layer composed of carbon powder and a water repellent is a combination of carbon powder and a water repellent that is a binder. In other words, carbon powder is taken into the network formed by the water repellent and has a fine network structure. When forming the coating layer, it is difficult to define a clear boundary line between the coating layer and the porous electrode substrate because a part of the composition soaks into the porous electrode substrate. Only a portion of the coating layer composition where no penetration into the porous electrode substrate, that is, a layer composed of only carbon powder and a water repellent is defined as a coating layer.

本発明の多孔質電極基材は、さらにその片面および/または両面にカーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を有していてもよい。両面にコーティング層を有していてもよいが、片面コーティングの場合に比べ、プロセスの増加による生産性低下やガス拡散性および排水性低下の可能性もあるため、片面コーティングがより好ましい。   The porous electrode substrate of the present invention may further have a coating layer made of carbon powder and a water repellent on one side and / or both sides. Although coating layers may be provided on both sides, single-sided coating is more preferable because there is a possibility of lowering productivity and gas diffusibility and drainage due to increased processes as compared to single-sided coating.

以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

〔実施例1〕
平均繊維長3mmにカットしたポリアクリロニトリル系炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、商品名:パイロフィルTR50S、平均単繊維径:7μm)、ポリビニルアルコール(PVA)繊維(クラレ株式会社製、商品名:VPB105−1、繊維長3mm)、ポリエチレンパルプ(三井化学株式会社製、商品名:SWP)を用意した。ポリアクリルニトリル径炭素繊維とポリエチレンパルプおよびポリビニルアルコール繊維を10:8:2の比で、湿式短網連続抄紙装置のスラリータンクに投入し、さらに水を加えて均一に分散開繊し、十分に分散させたところでウェブを送り出して、短網板に通し、ドライヤーにて乾燥後、幅1000mm、坪量34g/mのロール形態の多孔質炭素電極基材前駆体用の連続シート状物(炭素繊維紙)を得た。
[Example 1]
Polyacrylonitrile-based carbon fiber cut to an average fiber length of 3 mm (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Pyrofil TR50S, average single fiber diameter: 7 μm), polyvinyl alcohol (PVA) fiber (Kuraray Co., Ltd., trade name: VPB105- 1, fiber length 3 mm), polyethylene pulp (manufactured by Mitsui Chemicals, trade name: SWP) was prepared. Polyacrylonitrile diameter carbon fiber, polyethylene pulp and polyvinyl alcohol fiber are put into a slurry tank of a wet short net continuous paper making machine in a ratio of 10: 8: 2, and water is further added to uniformly disperse and spread. When dispersed, the web is fed out, passed through a short mesh plate, dried with a dryer, and then a continuous sheet material (carbon) for a porous carbon electrode substrate precursor in a roll shape having a width of 1000 mm and a basis weight of 34 g / m 2. Fiber paper).

次に、炭素繊維紙をフェノール樹脂(DIC株式会社製、商品名:フェノライトJ−325)のメタノール溶液に浸漬し、炭素繊維紙100質量部に対し90質量部を付着させ、更に幅850mmにスリットして、フェノール樹脂を付着させた樹脂含浸紙を得た。
この樹脂含浸紙をダブルベルトプレス装置を用いて2枚積層し、プレス成形した。その際の条件としては、予熱条件を熱風温度150℃、予熱ロール温度を228℃、予熱ロール上下間のクリアランスを150μmに調整した。さらにプレスロール温度を260℃、プレス圧を10.9MPaとした。その結果、幅850mm×長さ100mの樹脂硬化シートを得た。なお、搬送の速度は、0.8m/minであった。(詳細は、表1)に示す。
Next, the carbon fiber paper is immersed in a methanol solution of a phenol resin (manufactured by DIC Corporation, trade name: Phenolite J-325), 90 parts by mass is attached to 100 parts by mass of the carbon fiber paper, and the width is further 850 mm. The resin-impregnated paper to which the phenol resin was made to adhere was obtained by slitting.
Two sheets of this resin-impregnated paper were laminated using a double belt press machine, and press molded. As the conditions at that time, preheating conditions were adjusted to a hot air temperature of 150 ° C., a preheating roll temperature of 228 ° C., and a clearance between the upper and lower sides of the preheating roll to 150 μm. Furthermore, the press roll temperature was 260 ° C., and the press pressure was 10.9 MPa. As a result, a cured resin sheet having a width of 850 mm and a length of 100 m was obtained. The conveyance speed was 0.8 m / min. Details are shown in Table 1.

得られた樹脂硬化シートを、窒素ガス雰囲気下の焼成炉(幅1m)内を走行させて、その後、更に窒素ガス雰囲気下1600℃以上の温度領域が6mの焼成炉内を走行させて、最高温度2000℃で熱処理を行った。なお、このときの樹脂硬化シートのシート幅は700mmであった。   The obtained cured resin sheet is run in a firing furnace (width 1 m) in a nitrogen gas atmosphere, and then further is run in a firing furnace having a temperature region of 1600 ° C. or higher in a nitrogen gas atmosphere at a temperature of 6 m. Heat treatment was performed at a temperature of 2000 ° C. In addition, the sheet width | variety of the resin cured sheet at this time was 700 mm.

細孔分布測定用の試料は、多孔質電極基材をまず50mm角に切り出し、容積:1.19mLのセルに格納するため、さらに短冊状に切断した。   The sample for pore distribution measurement was cut into a strip shape in order to first cut a porous electrode substrate into a 50 mm square and store it in a cell having a volume of 1.19 mL.

水銀圧入法による細孔分布測定は、島津製作所(Micrometrics社)製AutoPore IV9500(V1.07)を用いて、細孔径換算で約80nm〜400μmとなる圧力範囲にて測定した。測定点数は144点であり、上記範囲を対数表示目盛で等間隔にカバーできるように設定した。   The pore distribution measurement by the mercury intrusion method was carried out using AutoPore IV9500 (V1.07) manufactured by Shimadzu Corporation (Micrometrics) in a pressure range of about 80 nm to 400 μm in terms of pore diameter. The number of measurement points was 144 points, and the above range was set so as to cover the logarithmic display scale at equal intervals.

〔実施例2〜6〕現行NRシリーズ
実施例2〜6においては、ポリアクリルニトリル径炭素繊維とポリエチレンパルプおよびポリビニルアルコール繊維を10:4:2の比で抄紙し、原紙目付・DBP予熱ロール温度・予熱ロールクリアランス・硬化温度・硬化圧力・速度は、表1のとおり設定した。焼成条件は、すべて実施例1と同様であった。
[Examples 2-6] Current NR series In Examples 2-6, polyacrylonitrile diameter carbon fiber, polyethylene pulp and polyvinyl alcohol fiber were made at a ratio of 10: 4: 2, and the basis weight of the base paper / DBP preheating roll temperature -Preheating roll clearance, curing temperature, curing pressure, and speed were set as shown in Table 1. The firing conditions were all the same as in Example 1.

〔比較例1〕
平均繊維長3mmにカットしたポリアクリロニトリル系炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、商品名:パイロフィルTR50S、平均単繊維径:7μm)、ポリビニルアルコール(PVA)繊維(クラレ株式会社製、商品名:VPB105−1、繊維長3mm)、ポリエチレンパルプ(三井化学株式会社製、商品名:SWP)を用意した。ポリアクリルニトリル径炭素繊維とポリエチレンパルプおよびポリビニルアルコール繊維と10:8:2の比で、湿式短網連続抄紙装置のスラリータンクに投入し、さらに水を加えて均一に分散開繊し、十分に分散させたところでウェブを送り出して、短網板に通し、ドライヤーにて乾燥後、幅1000mm、坪量20g/mのロール形態の多孔質電極基材前駆体用の連続シート状物(炭素繊維紙)を得た。
[Comparative Example 1]
Polyacrylonitrile-based carbon fiber cut to an average fiber length of 3 mm (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Pyrofil TR50S, average single fiber diameter: 7 μm), polyvinyl alcohol (PVA) fiber (Kuraray Co., Ltd., trade name: VPB105- 1, fiber length 3 mm), polyethylene pulp (manufactured by Mitsui Chemicals, trade name: SWP) was prepared. Put the polyacrylonitrile diameter carbon fiber and polyethylene pulp and polyvinyl alcohol fiber in a ratio of 10: 8: 2 into the slurry tank of the wet short net continuous paper making machine, add water and spread it evenly, When dispersed, the web is fed out, passed through a short mesh plate, dried with a dryer, and then a continuous sheet-like material (carbon fiber) for a porous electrode substrate precursor in a roll shape having a width of 1000 mm and a basis weight of 20 g / m 2. Paper).

次に、炭素繊維紙をフェノール樹脂(DIC株式会社製、商品名:フェノライトJ−325)のメタノール溶液に浸漬し、炭素繊維紙100質量部に対し100質量部を付着させ、更に幅850mmにスリットして、フェノール樹脂を付着させた樹脂含浸紙を得た。この樹脂含浸紙をダブルベルトプレス装置を用いて2枚積層し、プレス成形した。その際の条件としては、予熱条件を熱風温度150℃、予熱ロール温度を235℃、予熱ロール上下間(一対の加熱加圧媒体間)のクリアランスを200μmに調整した。さらにプレスロール温度を260℃、プレス圧を8.6MPaとした。その結果、幅850mm×長さ100mの樹脂硬化シートを得た。なお、搬送の速度は、0.8m/minであった。(詳細は、表1)に示す。焼成条件は、実施例1と同様であった。   Next, the carbon fiber paper is immersed in a methanol solution of phenol resin (manufactured by DIC Corporation, trade name: Phenolite J-325), 100 parts by mass is adhered to 100 parts by mass of the carbon fiber paper, and the width is further 850 mm. The resin-impregnated paper to which the phenol resin was made to adhere was obtained by slitting. Two sheets of this resin-impregnated paper were laminated using a double belt press machine and press-molded. As conditions at that time, preheating conditions were adjusted to a hot air temperature of 150 ° C., a preheating roll temperature of 235 ° C., and a clearance between the upper and lower sides of the preheating roll (between a pair of heating and pressurizing media) were adjusted to 200 μm. Furthermore, the press roll temperature was 260 ° C. and the press pressure was 8.6 MPa. As a result, a cured resin sheet having a width of 850 mm and a length of 100 m was obtained. The conveyance speed was 0.8 m / min. Details are shown in Table 1. The firing conditions were the same as in Example 1.

〔比較例2〕
ポリアクリルニトリル径炭素繊維とポリエチレンパルプおよびポリビニルアルコール繊維の混合比を8:0:2の比、予熱ロール上下間(一対の加熱加圧媒体間)のクリアランスをなし(0μm)に調整し、さらにプレスロールのプレス圧を5.0MPaにした。それ以外は、比較例1と同様であった。
[Comparative Example 2]
Adjust the mixing ratio of polyacrylonitrile diameter carbon fiber to polyethylene pulp and polyvinyl alcohol fiber to a ratio of 8: 0: 2, and the clearance between the upper and lower preheating rolls (between a pair of heating and pressurizing media) is zero (0 μm); The press pressure of the press roll was 5.0 MPa. Other than that was the same as Comparative Example 1.

本発明の実施例、比較例において一対の加熱加圧媒体のクリアランスを調整することで、細孔分布を制御できることを確認した。比較例2のように予熱ロール上下間のクリアランスが狭い場合は、ポリエチレンパルプがロール圧力に押しつぶされて流動できず、網目構造が形成されない。また、比較例1のようにベルトクリアランスが140μmより広い時は相分離が進み、2山ピークができるものと推察する。本発明の実施例のように、予熱ロール上下間のクリアランスを110〜190μm程度に調整することで本発明のような細孔分布を有する多孔質電極基材が得られることが確認できた。   It was confirmed that the pore distribution can be controlled by adjusting the clearance between the pair of heating and pressurizing media in Examples and Comparative Examples of the present invention. When the clearance between the upper and lower preheating rolls is narrow as in Comparative Example 2, the polyethylene pulp is crushed by the roll pressure and cannot flow, and a network structure is not formed. Moreover, when the belt clearance is wider than 140 μm as in Comparative Example 1, it is assumed that phase separation proceeds and two peaks are formed. It was confirmed that a porous electrode substrate having a pore distribution as in the present invention was obtained by adjusting the clearance between the upper and lower preheating rolls to about 110 to 190 μm as in the examples of the present invention.

<発電試験>
本発明における実施例、比較例のサンプルを用いて発電試験を実施した。試験方法は、以下のとおりである。
<Power generation test>
A power generation test was performed using the samples of Examples and Comparative Examples in the present invention. The test method is as follows.

(1)膜−電極接合体(MEA)の製造
実施例で得られた多孔質電極基材をPTFEディスパージョンに浸漬し、乾燥、焼結することにより撥水処理を行った。撥水処理された多孔質電極基材をカソード用およびアノード用の多孔質電極基材として用意した。また、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(膜厚:30μm)の両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成した積層体を容易した。この積層体を、カソード用およびアノード用の多孔質電極基材で挟持し、これらを接合して、MEAを得た。
(1) Manufacture of membrane-electrode assembly (MEA) The porous electrode base material obtained in the example was immersed in PTFE dispersion, dried and sintered to perform water repellent treatment. A water-repellent porous electrode substrate was prepared as a cathode electrode electrode and an anode electrode substrate. Further, a catalyst layer (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt) composed of catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50 mass%) on both surfaces of a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (film thickness: 30 μm). The laminated body which formed the adhesion amount: 0.3 mg / cm < 2 >) was made easy. This laminate was sandwiched between porous electrode substrates for cathode and anode, and joined to obtain an MEA.

(2)MEAの燃料電池特性評価
得られたMEAを、蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成した。この単セルの電流密度−電圧特性を測定することによって、燃料電池特性評価を行った。燃料ガスとしては水素ガスを用い、酸化ガスとしては空気を用いた。単セルの温度を80℃、燃料ガス利用率を60%、酸化ガス利用率を40%とした。また、燃料ガスと酸化ガスへの加湿は80℃(相対湿度100%)または60℃(相対湿度42%)のバブラーにそれぞれ燃料ガスと酸化ガスを通すことによって行った。セル温度80℃、相対湿度100%の場合の電流密度1.0A/cmにおける電圧値をVaとし、セル温度80℃、相対湿度42%の場合の電流密度1.0A/cmにおける電圧値をVbとし、これらの比Vb/Vaを求めた。
(2) Fuel cell characteristic evaluation of MEA The obtained MEA was sandwiched between two carbon separators having bellows-like gas flow paths to form a polymer electrolyte fuel cell (single cell). The fuel cell characteristics were evaluated by measuring the current density-voltage characteristics of this single cell. Hydrogen gas was used as the fuel gas, and air was used as the oxidizing gas. The single cell temperature was 80 ° C., the fuel gas utilization rate was 60%, and the oxidizing gas utilization rate was 40%. Further, the humidification of the fuel gas and the oxidizing gas was performed by passing the fuel gas and the oxidizing gas through a bubbler at 80 ° C. (relative humidity 100%) or 60 ° C. (relative humidity 42%), respectively. Cell temperature 80 ° C., the voltage value is Va at a current density of 1.0A / cm 2 in the case of a relative humidity of 100% cell temperature 80 ° C., the voltage value at a current density of 1.0A / cm 2 in the case of a relative humidity of 42% Was Vb, and the ratio Vb / Va was obtained.

<発電試験結果・考察>
発電試験結果を表3に示す。実施例のような細孔分布を有する電極基材を使用することで、様々な発電条件においても発電可能であることが確認できた。
<Power generation test results and discussion>
Table 3 shows the power generation test results. It was confirmed that power generation was possible under various power generation conditions by using an electrode base material having a pore distribution as in the examples.


Claims (4)

構造体中に分散した繊維直径が3〜9μmで繊維長2〜20mmの炭素繊維同士が樹脂炭化物で結着された多孔質電極基材であって、当該多孔質電極基材を水銀圧入法で測定した際の細孔分布が、以下の条件を満たすことを特徴とする多孔質電極基材。
<条件>
横軸が細孔径を表し、縦軸が細孔に注入される水銀の合計体積を表す累積細孔容積曲線を、前記細孔径を変数として微分したものを表し、且つ横軸が常用対数表示された細孔分布曲線であって、少なくとも直径1〜100μmの区間は、常用対数表示で等間隔となるような80個の測定点からなり、横軸を対数表示した細孔分布において、直径1〜100μmにおける細孔分布の歪度Sが−1.0<S<−0.5であり、尖度Kが3.0<K<4.5であり、1〜20μmの細孔径範囲においてピークを1つ、20〜100μmの細孔径範囲においてもピークを1つ有し、1〜20μmの細孔径範囲におけるピークが、20〜100μmの細孔径範囲におけるピークよりも低い。
A porous electrode base material in which carbon fibers having a fiber diameter of 3 to 9 μm and a fiber length of 2 to 20 mm dispersed in a structure are bound with resin carbide, and the porous electrode base material is formed by a mercury intrusion method. A porous electrode substrate characterized in that the pore distribution upon measurement satisfies the following conditions.
<Conditions>
The abscissa represents the pore diameter, the ordinate represents the cumulative pore volume curve representing the total volume of mercury injected into the pores , and the abscissa represents the common logarithm. In the pore distribution curve, at least a section having a diameter of 1 to 100 μm is composed of 80 measurement points that are equally spaced in a common logarithmic display. The skewness S of the pore distribution at 100 μm is −1.0 <S <−0.5, the kurtosis K is 3.0 <K <4.5, and a peak is observed in the pore diameter range of 1 to 20 μm. One peak is also present in the pore diameter range of 20 to 100 μm, and the peak in the pore diameter range of 1 to 20 μm is lower than the peak in the pore diameter range of 20 to 100 μm.
請求項に記載の多孔質電極基材の片面または両面にカーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を設けた多孔質電極基材。 The porous electrode base material which provided the coating layer which consists of carbon powder and a water repellent on one side or both surfaces of the porous electrode base material of Claim 1 . 請求項1又は2に記載の多孔質電極基材を用いた膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly using the porous electrode substrate according to claim 1 . 請求項に記載の膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 3 .
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