JP6500421B2 - Carbon fiber non-woven fabric - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池などの電極基材に適した炭素繊維不織布およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon fiber non-woven fabric suitable for an electrode substrate such as a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

炭素繊維織編物や炭素繊維不織布は、耐腐食性があるとともに、ガスの透過と導電性を高いレベルで両立できるため、固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極に適用されている。   A carbon fiber woven or knitted fabric and a carbon fiber non-woven fabric are applied to a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell because they have corrosion resistance and can achieve both gas permeation and conductivity at a high level.

固体高分子形燃料電池では、反応で生じる水が触媒層やガス拡散電極の空隙を塞ぎ、水素や空気の輸送を妨げてしまう、いわゆるフラッディングの発生により、高い発電効率を得られない場合がある。一方、電解質膜や触媒層のアイオノマーへの加湿が十分でなく、乾燥が進んだ場合、すなわちドライアウトが生じた場合も高い発電効率が得られない。このことから、供給する水素や空気に加えられた水分と反応で生じる水で、電解質膜や触媒層のアイオノマーの湿潤状態を維持するとともに、過剰な水は水素や空気の輸送を妨げないように速やかにチャネルへ排出する必要がある。そこで、ガス拡散電極にフッ素樹脂等で撥水処理する方法や、ガス拡散電極にフッ素樹脂と導電粒子からなる微小孔層を形成する方法によって水の排出改善が試みられているが、その効果は十分でなく、更なる性能向上を求められている。   In a polymer electrolyte fuel cell, high power generation efficiency may not be obtained due to the occurrence of so-called flooding in which water produced by the reaction blocks the pores of the catalyst layer and the gas diffusion electrode and hinders transport of hydrogen and air. . On the other hand, humidification of the electrolyte membrane and catalyst layer to the ionomer is not sufficient, and high drying efficiency can not be obtained even when drying progresses, that is, when drying out occurs. From this, it is possible to maintain the wet state of the electrolyte membrane and the ionomer of the catalyst layer with the hydrogen that is supplied by the reaction with the supplied hydrogen and the moisture added to the air, and the excess water does not disturb the transport of hydrogen and air. It needs to be discharged to the channel promptly. Therefore, attempts have been made to improve water discharge by a method in which the gas diffusion electrode is subjected to water repellent treatment with a fluorine resin or the like, or a method in which a gas diffusion electrode is formed with a microporous layer consisting of a fluorine resin and conductive particles. This is not sufficient, and further performance improvement is required.

例えば特許文献1および2には、チャネル側に開口を有する孔を形成したカーボンペーパーをガス拡散電極とすることで、孔から水をスムーズに排出できる技術が開示されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 disclose a technology capable of smoothly discharging water from the holes by using carbon paper having a hole having an opening on the channel side as a gas diffusion electrode.

特許文献2および3には、レーザー加工によって厚みの20〜80%の深さの非貫通孔を形成することで、ガス拡散電極からの排水と電解質膜や触媒層のアイオノマーの保湿性を両立させる技術が開示されている。   In Patent Documents 2 and 3, by forming non-through holes with a depth of 20 to 80% of the thickness by laser processing, it is possible to balance the drainage from the gas diffusion electrode and the moisture retention of the ionomer of the electrolyte membrane or catalyst layer. Technology is disclosed.

特開平8−111226号公報JP-A-8-111226 特開2009−211928号公報JP, 2009-211928, A 特開2011−96385号公報JP, 2011-96385, A

特許文献1には、ガス拡散電極基材の厚み方向に貫通孔を設けることが、好ましい態様として記載されている。これは、排水性を改善する効果があるものの、電解質膜や触媒層のアイオノマーの乾燥を容易にしてしまう。   Patent Document 1 describes the provision of through holes in the thickness direction of the gas diffusion electrode base material as a preferred embodiment. This has the effect of improving drainage, but facilitates drying of the electrolyte membrane and the ionomer of the catalyst layer.

また、特許文献2および3には、レーザーや機械加工によってガス拡散電極基材に非貫通孔を形成する技術が開示されている。このような非貫通孔は、ガス拡散電極からの排水と電解質膜や触媒層のアイオノマーの乾燥抑制のバランスを制御しやすいものの、孔形成時に炭素繊維が部分的に破損して連続性を失い、導電性と熱伝導性が低下する問題があった。   Patent Documents 2 and 3 disclose a technique for forming a non-through hole in a gas diffusion electrode substrate by laser or mechanical processing. Although such a non-through hole facilitates controlling the balance between drainage from the gas diffusion electrode and the suppression of drying of the electrolyte membrane and ionomer of the catalyst layer, the carbon fiber is partially damaged at the time of hole formation and loses continuity. There is a problem that the conductivity and the thermal conductivity decrease.

前記課題を達成するための本発明は、炭素繊維不織布の平均孔面積よりも大きい開口面積を有する複数の非貫通孔が表面に分散形成されるとともに、該非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維が前記非貫通孔の高さ方向に配向している炭素繊維不織布である。また、このような炭素繊維不織布を得るための本発明は、
工程A:炭素繊維前駆体繊維不織布の表面に非貫通孔を形成する工程であって、該非貫通孔に対応する凸部を有する賦形部材を前記炭素繊維前駆体繊維不織布の表面に押し付けて前記非貫通孔を形成する工程と、
工程B:工程Aで得られた炭素繊維前駆体繊維不織布を炭化処理する工程と
を有する炭素繊維不織布の製造方法である。
In the present invention for achieving the above object, a plurality of non-through holes having an open area larger than the average pore area of a carbon fiber non-woven fabric are dispersedly formed on the surface, and carbon forming the wall surface of the non-through holes It is a carbon fiber nonwoven fabric in which at least a part of carbon fibers among the fibers are oriented in the height direction of the non-through holes. Moreover, the present invention for obtaining such a carbon fiber non-woven fabric is
Step A: A step of forming a non-through hole on the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric, wherein the shaping member having a convex portion corresponding to the non-through hole is pressed against the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric Forming a non-through hole;
Step B: A carbon fiber non-woven fabric manufacturing method comprising the step of carbonizing the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in Step A.

本発明により、導電性や熱伝導性に優れるとともに、ガス拡散電極からの排水と電解質膜や触媒層のアイオノマーの保湿を高いレベルで両立可能な、ガス拡散電極に適した炭素繊維不織布が提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a carbon fiber non-woven fabric suitable for a gas diffusion electrode, which is excellent in conductivity and thermal conductivity and is compatible with drainage of the gas diffusion electrode and moisture retention of the electrolyte membrane and ionomer of the catalyst layer at high levels. .

実施例1で得られた本発明の炭素繊維不織布の断面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the cross section of the carbon fiber nonwoven fabric of this invention obtained in Example 1. FIG.

<炭素繊維不織布>
〔炭素繊維不織布〕
以下、本発明の炭素繊維不織布を、主に燃料電池用ガス拡散電極基材として用いる場合を例に説明する。
<Carbon fiber non-woven fabric>
[Carbon fiber non-woven fabric]
Hereinafter, the case where the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention is mainly used as a fuel cell gas diffusion electrode base material will be described as an example.

本発明において、炭素繊維不織布とは、炭素繊維により構成されたウエブまたはシートである。炭素繊維とは、炭素繊維前駆体繊維を不活性ガス雰囲気で加熱して炭化したものであり、炭素繊維不織布は、炭素繊維前駆体繊維不織布を不活性ガス雰囲気下で加熱して炭化させたものである。なお、炭素繊維前駆体繊維については後述する。ウエブとしては、乾式のパラレルレイドウエブまたはクロスレイドウエブ、エアレイドウエブ、湿式の抄造ウエブ、押出法のスパンボンドウエブ、メルトブローウエブ、エレクトロスピニングウエブ等を用いることができる。また、シートとしては、これらのウエブを機械的に交絡させたシート、加熱して融着させたシート、バインダーで接着させたシート等を用いることができる。   In the present invention, the carbon fiber non-woven fabric is a web or sheet composed of carbon fibers. A carbon fiber is a carbon fiber precursor fiber heated and carbonized in an inert gas atmosphere, and a carbon fiber nonwoven fabric is a carbon fiber precursor fiber nonwoven heated and carbonized in an inert gas atmosphere It is. The carbon fiber precursor fiber will be described later. As the web, a dry parallel laid web or crosslaid web, an air laid web, a wet papermaking web, an extrusion spunbond web, a meltblown web, an electrospinning web, etc. can be used. Further, as the sheet, a sheet mechanically interlocking these webs, a sheet fused by heating, a sheet bonded with a binder, or the like can be used.

炭素繊維不織布は、曲率半径が1mm以下の湾曲部を有する炭素繊維を含むことが好ましい。一般に、炭素繊維の導電性や熱伝導性は、繊維断面方向よりも繊維軸方向で優れており、曲率半径が小さい湾曲部を有する繊維は一定面積内の繊維長が長くなるので、炭素繊維不織布に高い導電性と熱伝導性を付与することが期待できるためである。本発明の炭素繊維不織布は、曲率半径が、500μm以下の湾曲部を有する炭素繊維を含むことがより好ましく、曲率半径が200μm以下の湾曲部を有する炭素繊維を含むことがさらに好ましい。   The carbon fiber non-woven fabric preferably includes carbon fibers having a curved portion with a radius of curvature of 1 mm or less. Generally, the conductivity and thermal conductivity of carbon fibers are better in the fiber axis direction than in the fiber cross-sectional direction, and fibers having curved portions with a small radius of curvature have longer fiber lengths within a certain area, so carbon fiber non-woven fabrics It can be expected to impart high conductivity and thermal conductivity to the The carbon fiber non-woven fabric of the present invention more preferably includes carbon fibers having a curved portion with a radius of curvature of 500 μm or less, and further preferably includes carbon fibers having a curved portion with a radius of curvature of 200 μm or less.

このような湾曲部を有する炭素繊維を含むことは、炭素繊維不織布表面の炭素繊維を観察することで確認できる。炭素繊維の曲率半径は、光学顕微鏡や電子顕微鏡により炭素繊維不織布表面の炭素繊維を観察し、炭素繊維の湾曲部で任意の3点をとり、その3点の外接円の半径として求めることができる。本発明においては、光学顕微鏡や電子顕微鏡で炭素繊維不織布表面の1.5mm×1.5mmの面積を観察したときに、このような曲率半径の湾曲部を有する炭素繊維が10本以上確認できることが好ましく、30本以上確認できることがより好ましい。また、光学顕微鏡や電子顕微鏡で炭素繊維不織布表面の1.5mm×1.5mmの面積を観察し、この視野を0.3mm×0.3mmの25個の領域に区切ったときに、このような曲率半径の湾曲部が確認できる領域が5以上あることが好ましく、10以上あることがより好ましい。   The inclusion of the carbon fiber having such a curved portion can be confirmed by observing the carbon fiber on the surface of the carbon fiber nonwoven fabric. The radius of curvature of the carbon fiber can be determined as the radius of the circumscribed circle of the three points by observing the carbon fiber on the surface of the non-woven carbon fiber fabric with an optical microscope or an electron microscope and taking any three points in the curved portion of the carbon fiber . In the present invention, when an area of 1.5 mm × 1.5 mm on the surface of the carbon fiber non-woven fabric is observed with an optical microscope or an electron microscope, ten or more carbon fibers having a curved portion with such a radius of curvature can be confirmed. Preferably, 30 or more lines can be confirmed. Also, when an area of 1.5 mm × 1.5 mm on the surface of the carbon fiber non-woven fabric is observed with an optical microscope or an electron microscope and this field of view is divided into 25 areas of 0.3 mm × 0.3 mm, such It is preferable that the area | region which can confirm the curved part of a curvature radius is five or more, and it is more preferable that it is ten or more.

炭素繊維不織布中において、炭素繊維同士の接点にバインダーとして炭化物が付着していると、炭素繊維同士の接点で接触面積が大きくなり、優れた導電性と熱伝導性が得られる。このようなバインダーを付与する方法としては、炭化処理後の炭素繊維不織布にバインダー溶液を含浸またはスプレーし、不活性雰囲気下で再度加熱処理してバインダーを炭化する方法が挙げられる。この場合、バインダーとしては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂といった熱硬化性樹脂を用いることができ、中でも、炭化収率が高い点でフェノール樹脂が特に好ましい。また、後述するように、熱可塑性樹脂を炭素繊維前駆体不織布に混綿しておく方法も好ましい。   In the carbon fiber non-woven fabric, when carbide as a binder is attached to the contact between carbon fibers, the contact area becomes larger at the contact between carbon fibers, and excellent conductivity and thermal conductivity can be obtained. As a method of applying such a binder, a method of impregnating or spraying a binder solution on a carbon fiber non-woven fabric after carbonization treatment, and heat treating again in an inert atmosphere to carbonize the binder can be mentioned. In this case, thermosetting resins such as phenol resin, epoxy resin, melamine resin and furan resin can be used as the binder, and among them, phenol resin is particularly preferable in view of high carbonization yield. In addition, as described later, a method in which a thermoplastic resin is blended with a carbon fiber precursor nonwoven fabric is also preferable.

本発明の炭素繊維不織布の平均孔径は特に限定されないが、2〜45μmが好ましく、5〜30μmがより好ましい。2μm未満ではフラッディングが発生しやすくなる傾向があり、45μm以上ではドライアウトが発生しやすくなる傾向がある。ここで、炭素繊維不織布の平均孔径とは、ASTM F316-86の方法で、平均流量細孔径(Mean Flow Pore Size)として算出した値である。   The average pore diameter of the carbon fiber non-woven fabric of the present invention is not particularly limited, but is preferably 2 to 45 μm, and more preferably 5 to 30 μm. If it is less than 2 μm, flooding tends to occur easily, and if it is 45 μm or more, dryout tends to occur easily. Here, the average pore size of the carbon fiber non-woven fabric is a value calculated as an average flow pore size (Mean Flow Pore Size) by the method of ASTM F316-86.

〔非貫通孔〕
本発明の炭素繊維不織布は、炭素繊維不織布の平均孔面積よりも大きい開口面積を有する複数の非貫通孔が表面に分散形成されてなるものである。非貫通孔とは、炭素繊維不織布の一方の面に開口部を有し、かつ他面まで達していない孔(凹部)である。ここで、炭素繊維不織布の平均孔面積とは、前述した炭素繊維不織布の平均孔径を直径とする円の面積をいう。
[Non-through hole]
The carbon fiber non-woven fabric of the present invention is formed by dispersing and forming on the surface a plurality of non-through holes having an open area larger than the average pore area of the carbon fiber non-woven fabric. The non-through holes are holes (recesses) having an opening on one side of the carbon fiber non-woven fabric and not reaching the other side. Here, the average pore area of the carbon fiber non-woven fabric refers to the area of a circle whose diameter is the average pore diameter of the carbon fiber non-woven fabric described above.

本発明でいう非貫通孔の開口面積は、炭素繊維不織布表面の凹凸の影響を排除するため、炭素繊維不織布を厚み方向に1MPaで加圧した際の炭素繊維不織布の厚み(以下、単に「加圧時厚み」ということがある。)と同じ厚みになるまで炭素繊維不織布の非貫通孔形成面をトリミングしたと仮定した場合の開口面積をいう。加圧時厚みは、2.5cm×2.5cmにカットした炭素繊維不織布を、表面が3cm以上×3cm以上で厚みが1cm以上の金属板で挟み、炭素繊維不織布に対して1MPaの圧力を付与して求める。また、非貫通孔の開口面積は、レーザー顕微鏡等で炭素繊維不織布表面を観察し、形状解析アプリケーションを用いて加圧時厚みに相当する高さにおける各々の非貫通孔の断面積を計測することで求めることができる。なお、加圧時厚みと同じ厚みになるまで炭素繊維不織布の非貫通孔形成面をトリミングすることにより、非貫通孔がなくなるか、あるいは孔の周縁が認識できなくなる場合には、非貫通孔は形成されていないものと判断する。また、以降の記述において非貫通孔の形状について言及する場合には、特に断った場合を除き、加圧時厚みになるまで炭素繊維不織布の非貫通孔形成面をトリミングしたと仮定した場合における非貫通孔についての値であるものとする。   The open area of the non-penetrating holes as referred to in the present invention is the thickness of the carbon fiber non-woven fabric when the carbon fiber non-woven fabric is pressurized at 1 MPa in the thickness direction (hereinafter simply referred to This refers to the open area when it is assumed that the non-through hole forming surface of the carbon fiber non-woven fabric is trimmed to the same thickness as the thickness when pressed. The thickness of the carbon fiber non-woven fabric cut into 2.5 cm × 2.5 cm at the time of pressurization is sandwiched by a metal plate with a surface of 3 cm or more × 3 cm or more and a thickness of 1 cm or more, and a pressure of 1 MPa is applied to the carbon fiber non-woven fabric Ask for. In addition, the open area of the non-through hole is to observe the surface of the carbon fiber non-woven fabric with a laser microscope or the like, and measure the cross-sectional area of each non-through hole at a height corresponding to the thickness when pressurized using a shape analysis application. You can ask for If the non-through holes are eliminated by trimming the non-through hole forming surface of the carbon fiber non-woven fabric until the thickness becomes the same as the thickness when pressurized, or the peripheral edge of the holes can not be recognized, the non-through holes Judged as not being formed. Moreover, when the shape of the non-through hole is referred to in the following description, it is assumed that the non-through hole forming surface of the carbon fiber non-woven fabric is trimmed to the thickness at the time of pressing, unless otherwise specified. It shall be a value about a through hole.

1個の非貫通孔の孔面積は、排水性を確保する観点から、1000μm以上であることが好ましく、2000μm以上であることがより好ましい。また、セパレーターとの接触面積を確保し、十分な導電性や熱伝導性を持たせる観点から、100mm以下であることが好ましく、10mm以下であることがより好ましく、1mm以下であることがさらに好ましい。 Open area of a single non-through-hole, in order to ensure the drainage, preferably at 1000 .mu.m 2 or more, and more preferably 2000 .mu.m 2 or more. Further, from the viewpoint of securing a contact area with the separator and having sufficient conductivity and thermal conductivity, it is preferably 100 mm 2 or less, more preferably 10 mm 2 or less, and 1 mm 2 or less. Is more preferred.

非貫通孔の横断面形状(炭素繊維不織布の面内方向で切ったときの断面形状)は特に限定されず、円形、楕円形、四角形、三角形、多角形、星型等任意に選択できる。   The cross-sectional shape of the non-through hole (the cross-sectional shape when cut in the in-plane direction of the carbon fiber non-woven fabric) is not particularly limited, and circular, oval, square, triangle, polygon, star or the like can be arbitrarily selected.

非貫通孔の縦断面形状(炭素繊維不織布の面直方向で切ったときの断面形状)も特に限定されず、深さ方向で径が変化しない略長方形であっても、深さ方向で径が変化する略台形、略三角形、略円弧形であってもよいが、深くなるにつれて径が小さくなる逆台形または弓形等に構成すると、排水効率を向上できる点で好ましい。孔形成の容易性の点で、このような非貫通孔は、深さ方向の断面が上弦の弓形であることが好ましい。すなわち、非貫通孔は略球面状の凹部とすることが好ましい。   The longitudinal cross-sectional shape (the cross-sectional shape when cut in the direction perpendicular to the surface of the carbon fiber non-woven fabric) of the non-through hole is not particularly limited, and the diameter in the depth direction is approximately rectangular even if the diameter does not change in the depth direction The shape may be a substantially trapezoidal shape, a substantially triangular shape, or a substantially arc shape that changes, but it is preferable to configure it as an inverted trapezoidal shape or an arch shape in which the diameter decreases with increasing depth. It is preferable that such non-through holes have an arc shape with an upper chord cross-section in the depth direction in terms of the easiness of hole formation. That is, it is preferable that the non-through hole be a substantially spherical recess.

非貫通孔の深さは特に限定されないが、排水性を確保する観点から、炭素繊維不織布の加圧時厚みに対して5%以上であることが好ましく、10%以上であることが更に好ましい。また、非貫通孔の深さの絶対値は5μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、15μm以上であることが更に好ましい。   The depth of the non-through holes is not particularly limited, but is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more with respect to the thickness of the carbon fiber non-woven fabric under pressure, from the viewpoint of securing drainage. The absolute value of the depth of the non-through holes is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and still more preferably 15 μm or more.

非貫通孔の深さの上限は特に限定されず、炭素繊維不織布の厚みに応じて適宜設定され得るが、炭素繊維不織布の強度を確保する観点や、ガス供給の均一性を保つ観点から、炭素繊維不織布の加圧時厚みに対して80%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましい。また、炭素繊維不織布自体の厚みが厚くなると燃料電池が大型化してしまうため、炭素繊維不織布はその機能を発揮する限りにおいて薄い方が好ましく、一般的には50μm〜500μm程度である。そのため、非貫通孔の深さは、炭素繊維不織布の厚みに対応して400μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。   The upper limit of the depth of the non-through holes is not particularly limited and may be appropriately set according to the thickness of the carbon fiber non-woven fabric, but from the viewpoint of securing the strength of the carbon fiber non-woven fabric and from the viewpoint of maintaining uniformity of gas supply It is preferable that it is 80% or less with respect to the thickness at the time of pressurization of a fiber nonwoven fabric, and it is more preferable that it is 50% or less. In addition, the carbon fiber non-woven fabric is preferably thin as long as the carbon fiber non-woven fabric exhibits its function, since the size of the fuel cell is increased if the thickness of the carbon fiber non-woven fabric itself is increased. Therefore, the depth of the non-through holes is preferably 400 μm or less, more preferably 300 μm or less, corresponding to the thickness of the carbon fiber non-woven fabric.

非貫通孔の深さは、開口面積同様、加圧時厚みまで炭素繊維不織布の非貫通孔形成面をトリミングしたと仮定した場合の深さをいう。このような非貫通孔の深さは、レーザー顕微鏡等で観察し、形状解析アプリケーションを用いて、当該非貫通孔の非開口面から炭素繊維不織布の加圧時厚みに相当する高さだけ開口面側に存在する平面を想定し、非貫通孔のうちこの平面より非開口面側に存在する部分の深さを計測することで求めることができる。   The depth of the non-penetrating hole means the depth when it is assumed that the non-penetrating hole forming surface of the carbon fiber non-woven fabric is trimmed to the thickness at the time of pressurization as the opening area. The depth of such a non-through hole is observed by a laser microscope etc., and a height equivalent to the thickness of the carbon fiber non-woven fabric from the non-opening face of the non-through hole is used. Assuming a flat surface on the side, it can be obtained by measuring the depth of a portion of the non-through hole which is located on the non-opening side with respect to this flat surface.

本発明の炭素繊維不織布において、非貫通孔は少なくとも一方の面に分散形成されている。分散形成されている、とは、炭素繊維不織布の表面に、複数の非貫通孔が、開口部の周縁が互いに接することなく配置されている状態を言う。非貫通孔の配置パターンは特に限定されないが、非貫通孔が面内に略均一に分布するように形成されていることが好ましい。   In the carbon fiber non-woven fabric of the present invention, the non-through holes are dispersedly formed on at least one surface. “Dispersed” means that a plurality of non-through holes are disposed on the surface of the carbon fiber non-woven fabric without the peripheries of the openings being in contact with each other. Although the arrangement pattern of the non-through holes is not particularly limited, it is preferable that the non-through holes be formed to be substantially uniformly distributed in the plane.

非貫通孔の開口率は、1.5%〜60%であることが好ましい。非貫通孔の開口率が1.5%以上であることにより、十分な排水性を確保することができ、また60%以下であることにより、導電性や熱伝導性に優れたものとすることができる。非貫通孔の開口率は、3%以上であることがより好ましく、また、40%以下であることがより好ましい。非貫通孔の開口率は、レーザー顕微鏡等で炭素繊維不織布の非貫通孔形成面を観察し、形状解析アプリケーションを用いて、一定視野内の各非貫通孔の開口面積の総和を視野面積で除して求めることができる。   The aperture ratio of the non-through holes is preferably 1.5% to 60%. When the aperture ratio of the non-through holes is 1.5% or more, sufficient drainage performance can be secured, and by being 60% or less, the conductivity and thermal conductivity should be excellent. Can. The open area ratio of the non-through holes is more preferably 3% or more, and more preferably 40% or less. The aperture ratio of the non-through holes is obtained by observing the non-through hole forming surface of the carbon fiber non-woven fabric with a laser microscope or the like, and using the shape analysis application, removing the sum of the open areas of the non-through holes in a certain field of view Can be asked.

また、単位面積当たりの非貫通孔の数は30個/cm〜5000個/cmが好ましく、100個/cm〜1500個/cmがより好ましい。 The number of non-through holes is preferably 30 / cm 2 ~ 5000 pieces / cm 2 per unit area, and more preferably 100 / cm 2 to 1500 pieces / cm 2.

さらに、本発明の非貫通孔は、単位面積当たりの開口周長が0.1〜20km/mであることが好ましく、0.5〜10km/mであることがより好ましい。開口周長が0.1km/m以上であると、高い排水効果が得られ、10km/m以下であれば、高い保湿効果が得られるためである。 Furthermore, the non-through hole of the present invention preferably has an opening circumferential length per unit area of 0.1 to 20 km / m 2 , and more preferably 0.5 to 10 km / m 2 . When the opening circumference is 0.1 km / m 2 or more, a high drainage effect can be obtained, and when the opening circumference is 10 km / m 2 or less, a high moisturizing effect can be obtained.

本発明の炭素繊維不織布においては、非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向している。非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維とは、繊維の少なくとも一部が非貫通孔の内壁面に露出している炭素繊維である。そして、当該炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向している、とは、非貫通孔を高さ方向に3等分したときに、炭素繊維が2つの等分面(炭素繊維不織布表面と平行な平面)の両方を貫通していることを意味する。   In the carbon fiber non-woven fabric of the present invention, at least a part of the carbon fibers constituting the wall surface of the non-through hole is oriented in the height direction of the non-through hole. The carbon fiber which comprises the wall surface of the non-through hole is a carbon fiber in which at least a part of the fiber is exposed to the inner wall surface of the non-through hole. And the said carbon fiber is orientating to the height direction of a non-penetrating hole, when the non-penetrating hole is equally divided into 3 in the height direction, the carbon fiber has two equally divided faces (carbon fiber non-woven fabric surface And both parallel planes are meant to penetrate.

非貫通孔の高さ方向に配向している炭素繊維が存在することは、レーザー顕微鏡等で炭素繊維不織布表面を観察し、形状解析アプリケーションを用いて、非貫通孔の1/3深さの等分面と非貫通孔内壁面との交線、および非貫通孔の2/3深さの各等分面と非貫通孔内壁面との交線の両方を共に横切る炭素繊維が観察されることにより確認することができる。また、炭素繊維不織布の非貫通孔を含む任意の断面を走査型電子顕微鏡等で観察し、非貫通孔の深さの1/3と2/3の位置で当該非貫通孔を横切る炭素繊維不織布表面と平行な2直線を描画した上で、当該2直線の両方と交わる炭素繊維が観察されることによっても確認することができる。このような炭素繊維は、一つの非貫通孔中に2本以上存在することが好ましく、5本以上存在することがさらに好ましい。   The presence of carbon fibers oriented in the height direction of the non-penetrating holes means that the surface of the carbon fiber non-woven fabric is observed with a laser microscope or the like, and the shape analysis application is used. Carbon fiber crossing both the intersection line of the dividing surface and the inner wall surface of the non-through hole and the intersection line of each 2 / 3-depth dividing surface of the non-through hole and the inner wall surface of the non-through hole is observed It can confirm by. In addition, the carbon fiber non-woven fabric crosses the non-penetrating hole at a position of 1/3 and 2/3 of the depth of the non-penetrating hole by observing any cross section including the non-penetrating hole of the carbon fiber non-woven fabric with a scanning electron microscope etc. After drawing two straight lines parallel to the surface, it can also be confirmed by observing carbon fibers intersecting with both of the two straight lines. Preferably, two or more such carbon fibers are present in one non-through hole, and more preferably five or more.

一般に、孔を形成すると、孔を形成しない場合よりもガス供給側の部材(例えばセパレーター)との接触面積が小さくなり、導電性や熱伝導性が低下してしまう。ところが、炭素繊維は、繊維断面方向よりも繊維軸方向の導電性、熱伝導性が優れているため、非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向している場合、炭素繊維不織布の厚み方向の導電性、熱伝導性が向上し、孔形成による導電性や熱伝導性の低下を補うことができる。   In general, when a hole is formed, the contact area with a member (for example, a separator) on the gas supply side is smaller than in the case where the hole is not formed, and the conductivity and the thermal conductivity are reduced. However, since the carbon fiber is more excellent in conductivity and thermal conductivity in the fiber axis direction than in the fiber cross-sectional direction, the carbon fiber constituting the wall surface of the non-through hole is oriented in the height direction of the non-through hole In this case, the conductivity and heat conductivity of the carbon fiber non-woven fabric in the thickness direction can be improved, and the decrease in conductivity and heat conductivity due to the formation of holes can be compensated.

このような炭素繊維は、同様に、非貫通孔を高さ方向に4等分した場合における3つの等分面の全てを貫通していることが好ましく、5等分した場合における4つの等分面の全てを貫通していることがより好ましい。非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維は、少なくとも非貫通孔の開口部から底部まで、壁面に沿って連続するものであることが好ましい。   It is preferable that such a carbon fiber similarly penetrates all of the three equal divisions in the case of dividing the non-through hole into four in the height direction, and the four equal divisions in the case of five equal divisions. More preferably, all of the faces are penetrated. It is preferable that at least a part of the carbon fibers constituting the wall surface of the non-through hole be continuous along the wall surface at least from the opening of the non-through hole to the bottom.

また、非貫通孔の高さ方向に配向している炭素繊維は、非貫通孔の底面まで連続していると、非貫通孔の高さ方向への導電性、熱伝導性を向上させる効果が高くなるため好ましい。当該炭素繊維が非貫通孔の底面まで連続している、とは、非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維の炭素繊維不織布底面側の先端が屈曲もしくは湾曲し、当該炭素繊維の少なくとも一部が非貫通孔底面にも露出している状態を指す。なお、非貫通孔が球面状である場合等、非貫通孔中において壁面と底面が区別できない場合は、非貫通孔の最深部を底面と考える。炭素繊維不織布の断面を観察したときに、非貫通孔の一の壁面を構成している炭素繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維が、非貫通孔の底面まで連続するとともに、さらに他の壁面をも構成していることが好ましい。すなわち、非貫通孔内の2箇所で壁面を構成し、かつ底面まで連続している炭素繊維が存在することが好ましい。   In addition, when the carbon fibers oriented in the height direction of the non-through hole are continuous to the bottom of the non-through hole, the effect of improving the conductivity and thermal conductivity in the height direction of the non-through hole is obtained. It is preferable because it becomes high. The carbon fiber being continuous to the bottom of the non-penetrating hole means that the tip of the carbon fiber non-woven fabric bottom side of the carbon fiber constituting the wall surface of the non-penetrating hole is bent or curved, and at least one of the carbon fibers It refers to the state where the part is also exposed to the bottom of the non-through hole. In the case where the non-through hole is spherical or the like, and the wall surface and the bottom surface can not be distinguished in the non-through hole, the deepest portion of the non-through hole is considered as the bottom. When a cross section of the carbon fiber non-woven fabric is observed, at least a part of carbon fibers among carbon fibers constituting one wall surface of the non-penetrating hole continue to the bottom surface of the non-penetrating hole and another wall surface It is also preferable to configure. That is, it is preferable that the carbon fiber which comprises a wall surface in two places in a non-penetration hole, and is continued to the bottom face exists.

本発明においては、非貫通孔の壁面を構成している全ての炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向している必要は無く、このような炭素繊維が存在していればよい。また、一つひとつの非貫通孔にこのような炭素繊維が確認できることが好ましいが、このような炭素繊維が確認できない非貫通孔が存在することをもって本発明の範囲外とするものではない。   In the present invention, all the carbon fibers constituting the wall surface of the non-through hole need not be oriented in the height direction of the non-through hole, and such carbon fibers may be present. Moreover, it is preferable that such carbon fibers can be confirmed in each non-through hole, but the presence of non-through holes in which such carbon fibers can not be confirmed is not outside the scope of the present invention.

<炭素繊維不織布の製造方法>
本発明の炭素繊維不織布は、一例として、工程A:炭素繊維前駆体繊維不織布の表面を押圧して非貫通孔を形成する工程と、工程B:工程Aで得られた炭素繊維前駆体繊維不織布を炭化処理する工程とを有する炭素繊維不織布の製造方法により製造することができる。
<Method of manufacturing carbon fiber non-woven fabric>
The carbon fiber non-woven fabric of the present invention includes, as an example, step A: a step of pressing the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric to form non-penetrating holes; and step B: a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in step A And a step of carbonizing the carbon fiber non-woven fabric.

〔炭素繊維前駆体繊維不織布〕
炭素繊維前駆体繊維とは、炭化処理により炭素繊維化する繊維であり、炭化率が15%以上の繊維であることが好ましく、30%以上の繊維であることがより好ましい。本発明に用いられる炭素繊維前駆体繊維は特に限定されないが、ポリアクリロニトリル(PAN)系繊維、ピッチ系繊維、リグニン系繊維、ポリアセチレン系繊維、ポリエチレン系繊維、および、これらを不融化した繊維、ポリビニルアルコール系繊維、セルロース系繊維、ポリベンゾオキサゾール系繊維などを挙げることがでる。中でも強伸度が高く、加工性の良いPANを不融化したPAN系耐炎繊維を用いることが特に好ましい。繊維を不融化するタイミングは、不織布を作製する前後いずれでもよいが、不融化処理を均一に制御しやすいことから、シート化する前の繊維を不融化処理することが好ましい。また、不融化していない炭素繊維前駆体繊維不織布を用いる場合、後述する工程Aの後で不融化処理を行うこともできるが、工程Aにおける変形を最小限にする観点からは、不融化した炭素繊維前駆体繊維不織布を工程Aに供することが好ましい。
なお、炭化率は、以下の式から求めることができる。
炭化率(%)=炭化後重量/炭化前重量×100 炭素繊維前駆体繊維不織布は、炭素繊維前駆体繊維により形成されたウエブまたはシートである。ウエブとしては、乾式のパラレルレイドウエブまたはクロスレイドウエブ、エアレイドウエブ、湿式の抄造ウエブ、押出法のスパンボンドウエブ、メルトブローウエブ、エレクトロスピニングウエブを用いることができる。また、シートとしては、これらのウエブを機械的に交絡させたシート、加熱して融着させたシート、バインダーで接着させたシート等を用いることができる。溶液紡糸法で得たPAN系繊維を不融化してウエブ化する場合は、均一なシートを得やすいことから、乾式ウエブまたは湿式ウエブが好ましく、中でも工程での形態安定性を得やすいことから、乾式ウエブを機械的に交絡させたシートが特に好ましい。
[Carbon fiber precursor fiber non-woven fabric]
The carbon fiber precursor fiber is a fiber to be carbonized by carbonization, preferably a fiber having a carbonization ratio of 15% or more, and more preferably 30% or more. The carbon fiber precursor fiber used in the present invention is not particularly limited, and polyacrylonitrile (PAN) fiber, pitch fiber, lignin fiber, polyacetylene fiber, polyethylene fiber, and fibers obtained by infusible these, polyvinyl Alcohol fibers, cellulose fibers, polybenzoxazole fibers and the like can be mentioned. Among them, it is particularly preferable to use a PAN-based flame resistant fiber in which PAN having high strength and elongation and good processability is infusible. The timing of infusibilization of the fibers may be before or after the production of the non-woven fabric, but it is preferable to infusibilize the fibers before forming into a sheet, since the infusibilization process can be easily controlled uniformly. When using a non-infusible carbon fiber precursor fiber non-woven fabric, infusibilization treatment can be performed after step A described later, but from the viewpoint of minimizing deformation in step A, it is infusible Preferably, the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric is subjected to step A.
The carbonization rate can be determined from the following equation.
Carbonization ratio (%) = weight after carbonization / weight before carbonization × 100 The carbon fiber precursor fiber non-woven fabric is a web or a sheet formed of carbon fiber precursor fibers. As the web, a dry parallel laid web or crosslaid web, an air laid web, a wet papermaking web, an extrusion spunbond web, a meltblown web, an electrospinning web can be used. Further, as the sheet, a sheet mechanically interlocking these webs, a sheet fused by heating, a sheet bonded with a binder, or the like can be used. When PAN-based fibers obtained by the solution spinning method are infusible and made into a web, a dry web or a wet web is preferable because it is easy to obtain a uniform sheet, and in particular, it is easy to obtain form stability in the process. Particularly preferred is a sheet mechanically interlocked with a dry web.

炭化後の炭素繊維不織布に高い導電性と熱伝導性を付与するため、炭素繊維前駆体繊維不織布中において、炭素繊維前駆体繊維は、1mm以下の曲率半径を有する湾曲部を含むものであることが好ましい。炭素繊維前駆体繊維不織布は、曲率半径が500μm以下の湾曲部を有するものであることがより好ましく、曲率半径が200μm以下の湾曲部を有するものであることがさらに好ましい。具体的には、光学顕微鏡や電子顕微鏡で炭素繊維前駆体繊維不織布表面の1.5mm×1.5mmの面積を観察したときに、このような曲率半径の湾曲部を有する炭素繊維前駆体繊維が10本以上確認できることが好ましく、30本以上確認できることがより好ましい。また、光学顕微鏡や電子顕微鏡で炭素繊維前駆体繊維不織布表面の1.5mm×1.5mmの面積を観察したときに、この視野を0.3mm×0.3mmの25個の領域に区切り、このような曲率半径の湾曲部が確認できる領域が5以上あることが好ましく、10以上あることがより好ましい。   In order to impart high conductivity and thermal conductivity to the carbon fiber non-woven fabric after carbonization, in the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric, the carbon fiber precursor fiber preferably includes a curved portion having a curvature radius of 1 mm or less . The carbon fiber precursor fiber non-woven fabric more preferably has a curved portion with a radius of curvature of 500 μm or less, and more preferably has a curved portion with a radius of curvature of 200 μm or less. Specifically, when an area of 1.5 mm × 1.5 mm on the surface of the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric is observed with an optical microscope or an electron microscope, the carbon fiber precursor fiber having a curved portion with such a radius of curvature is It is preferable that 10 or more can be confirmed, and it is more preferable that 30 or more can be confirmed. In addition, when the area of 1.5 mm × 1.5 mm of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric surface is observed with an optical microscope or an electron microscope, this field of view is divided into 25 areas of 0.3 mm × 0.3 mm, It is preferable that the area | region which can confirm the curved part of such a radius of curvature is five or more, and it is more preferable that it is ten or more.

1mm以下の曲率半径の湾曲部を有する炭素繊維前駆体繊維を含む炭素繊維前駆体繊維不織布を得る方法としては、押し込み式(スタッフィングボックスを使った)けん縮機等で予めけん縮を付与した炭素繊維前駆体繊維を用いて不織布を構成する方法や、炭素繊維前駆体繊維でウエブを作製した後で、ニードルパンチやウォータージェットパンチといった機械的処理によって繊維を交絡させるとともに繊維を曲げる方法を挙げることができる。けん縮を付与して得たウエブに、更にニードルパンチやウォータージェットパンチ処理を行った炭素繊維前駆体繊維不織布を用いることは、より好ましい方法である。   As a method of obtaining a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric containing a carbon fiber precursor fiber having a curved portion with a radius of curvature of 1 mm or less, carbon that has been crimped in advance by a push-in type (using stuffing box) A method of forming a non-woven fabric using a fiber precursor fiber, and a method of entanglement of the fiber and bending the fiber by mechanical processing such as needle punching or water jet punching after a web is made of carbon fiber precursor fibers Can. It is a more preferable method to use a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric further subjected to needle punching or water jet punching to the web obtained by applying crimp.

また、前述のように、炭素繊維不織布の炭素繊維同士の交点に炭化物が付着していると導電性と熱伝導性に優れるため、炭素繊維前駆体繊維不織布はバインダーを含むものであることが好ましい。炭素繊維前駆体繊維不織布にバインダーを含ませる方法は特に限定されないが、炭素繊維前駆体繊維不織布にバインダー溶液を含浸またはスプレーする方法や、予め炭素繊維前駆体繊維不織布にバインダーとなる熱可塑性樹脂製繊維を混綿しておく方法が挙げられる。   Further, as described above, the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric preferably contains a binder because the conductivity and thermal conductivity are excellent when carbides adhere to the intersections of carbon fibers of the carbon fiber non-woven fabric. The method of incorporating the binder into the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric is not particularly limited. However, a method of impregnating or spraying the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric with the binder solution, or a thermoplastic resin used as a binder in advance to the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric The method of mixing fibers is mentioned.

炭素繊維前駆体繊維不織布にバインダー溶液を含浸またはスプレーする場合には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂といった熱硬化性樹脂をバインダーとして用いることができ、炭化収率が高いことからフェノール樹脂が好ましい。ただし、バインダー樹脂溶液を含浸した場合は、炭化工程で炭素繊維前駆体繊維とバインダー樹脂の収縮の挙動の差異が生じることによって、炭素繊維不織布の平滑性が低下しやすく、また、バインダーの乾燥時に炭素繊維不織布表面に溶液が移動するマイグレーション現象も生じ易いため、均一な処理が難しくなる傾向がある。   When impregnating or spraying a binder solution onto a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric, a thermosetting resin such as a phenol resin, an epoxy resin, a melamine resin, or a furan resin can be used as a binder, and phenol has high carbonization yield. Resins are preferred. However, when the binder resin solution is impregnated, the smoothness of the carbon fiber non-woven fabric is likely to be deteriorated due to the difference in shrinkage behavior between the carbon fiber precursor fiber and the binder resin in the carbonization step, and when the binder is dried. Since the migration phenomenon that the solution moves to the surface of the carbon fiber non-woven fabric is also apt to occur, uniform treatment tends to be difficult.

これに対し、予め炭素繊維前駆体繊維不織布にバインダーとなる熱可塑性樹脂製繊維を混綿しておく方法は、炭素繊維前駆体繊維とバインダー樹脂の割合を不織布内で均一にすることができ、炭素繊維前駆体繊維とバインダー樹脂の収縮挙動の差異も生じにくいことから、最も好ましい方法である。このような熱可塑性樹脂製繊維としては、比較的安価なポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリアクリロニトリル繊維が好ましい。   On the other hand, in the method in which the thermoplastic resin fiber serving as the binder is blended with the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric in advance, the ratio of the carbon fiber precursor fiber to the binder resin can be made uniform in the nonwoven fabric. It is the most preferable method because the difference in shrinkage behavior between the fiber precursor fiber and the binder resin hardly occurs. As such thermoplastic resin-made fibers, relatively inexpensive polyester fibers, polyamide fibers and polyacrylonitrile fibers are preferable.

バインダーの配合量は、炭素繊維不織布の強度、導電性、熱伝導性の向上のため、炭素繊維前駆体繊維100質量部に対し、0.5質量部以上であることが好ましく、1質量部以上であることがより好ましい。また、排水性向上のため、80質量部以下であることが好ましく、50質量部以下であることがより好ましい。   The compounding amount of the binder is preferably 0.5 parts by mass or more, and 1 part by mass or more, with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber precursor fiber, in order to improve the strength, the conductivity and the thermal conductivity of the carbon fiber non-woven fabric. It is more preferable that Moreover, in order to improve drainage, it is preferably 80 parts by mass or less, and more preferably 50 parts by mass or less.

なお、バインダーの付与は、後述する工程Aにおいて炭素繊維前駆体繊維不織布に非貫通孔を賦形した後に、バインダー溶液を含浸またはスプレーすることにより行うこともできる。また、後述する工程Bにおいて炭化処理を行った後の炭素繊維不織布にバインダー溶液を含浸またはスプレーし、再度炭化処理する工程を経ることによっても行うことができる。しかしながら、非貫通孔形成後にバインダーを付与すると、孔周辺にバインダー溶液が溜まって付着量が不均一になる傾向があるため、孔の形成前に行うことが好ましい。   The binder can also be applied by impregnating or spraying a binder solution after shaping non-through holes in the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric in step A described later. Moreover, it can also carry out by passing through the process of impregnating or spraying a binder solution on the carbon fiber nonwoven fabric which performed carbonization processing in the process B mentioned later, and carrying out carbonization processing again. However, when the binder is applied after the formation of the non-through holes, the binder solution tends to be accumulated around the holes and the adhesion amount tends to be nonuniform. Therefore, it is preferable to perform before forming the holes.

バインダーとなる熱可塑性樹脂製繊維や、含浸またはスプレーする溶液に導電助剤を添加しておくと、導電性向上の観点からさらに好ましい。このような導電助剤としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維のミルドファイバー、黒鉛等を用いることができる。   It is more preferable from the viewpoint of conductivity improvement to add a conductive auxiliary agent to a thermoplastic resin fiber serving as a binder and a solution to be impregnated or sprayed. As such a conductive support agent, carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, milled fibers of carbon fibers, graphite or the like can be used.

〔工程A〕
工程Aは、炭素繊維前駆体繊維不織布の表面に非貫通孔を賦形し、非貫通孔を有する炭素繊維前駆体繊維不織布を得る工程である。従来、このような非貫通孔は、炭化後の炭素繊維不織布にレーザー加工や機械加工を行うことで形成するのが一般的であったが、この方法は、孔形成時に非貫通孔の壁面で炭素繊維が切断されることが避けられないため、導電性と熱伝導性の低下を招くという問題があった。
[Step A]
Step A is a step of forming non-through holes on the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric to obtain a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric having non-through holes. Conventionally, such non-through holes are generally formed by performing laser processing or machining on a carbon fiber non-woven fabric after carbonization, but this method is based on the wall surface of non-through holes at the time of hole formation. There is a problem in that the conductivity and the thermal conductivity are lowered because the carbon fibers are inevitably cut.

工程Aにおいては、炭素繊維前駆体繊維不織布の表面を押圧して非貫通孔を形成する。押圧の方法は、炭素繊維の切断を伴わない方法であれば特に限定されず、非貫通孔に対応する凸部を有する賦形部材を押し付ける方法や、針状部材により押圧する方法、あるいは水により押圧する方法等を用いることができる。   In step A, the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric is pressed to form non-penetrating holes. The method of pressing is not particularly limited as long as it does not involve cutting of carbon fiber, and a method of pressing a shaping member having a convex portion corresponding to the non-penetrating hole, a method of pressing by a needle member, or water A method of pressing can be used.

中でも好ましいのは、形成する非貫通孔に対応する凸部を有する賦形部材を前記炭素繊維前駆体繊維不織布の表面に押し付ける方法である。この方法においては、炭素繊維前駆体繊維不織布の表面の一部を賦形部材により物理的に押し込むことで、炭素繊維前駆体繊維の切断を防止しつつ非貫通孔を形成することができる。これにより、非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維前駆体繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向したものとなる。   Among them, preferred is a method of pressing a shaping member having a convex portion corresponding to the non-through hole to be formed on the surface of the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric. In this method, it is possible to form non-penetrating holes while preventing cutting of the carbon fiber precursor fiber by physically pressing a part of the surface of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric with the shaping member. As a result, at least a part of carbon fibers among the carbon fiber precursor fibers constituting the wall surface of the non-through hole is oriented in the height direction of the non-through hole.

より具体的な手段は特に限定されないが、エンボス加工が好ましく、非貫通孔に対応する凸形状を形成したエンボスロールとフラットロールで連続プレスする方法や、同様の凸形状を形成したプレートとフラットプレートでバッチプレスする方法を挙げることができる。プレスの際には、後述する工程Bにおける炭化処理において形態が復元する(非貫通孔がなくなる)ことのないように、ロールやプレートは加熱したものを用いることが好ましい。このときの加熱温度は、炭素繊維前駆体繊維の不織布構造体に形成した非貫通孔の形態安定性の点から160℃〜280℃が好ましく、180℃〜260℃がより好ましい。   More specific means is not particularly limited, but embossing is preferable, and a method of continuously pressing with an embossing roll and a flat roll having a convex shape corresponding to the non-through hole, a plate and a flat plate having a similar convex shape Methods of batch pressing. At the time of pressing, it is preferable to use a heated roll or plate so that the form is not restored (no non-through holes are eliminated) in the carbonization treatment in step B described later. The heating temperature at this time is preferably 160 ° C. to 280 ° C., and more preferably 180 ° C. to 260 ° C., from the viewpoint of the form stability of the non-through holes formed in the nonwoven fabric structure of carbon fiber precursor fibers.

また、最終的に得られる炭素繊維不織布の密度や厚みを制御するため、凸部の無いロールやプレートでのプレスを工程Aの前または後に実施することも好ましい態様である。   Moreover, in order to control the density and thickness of the carbon fiber nonwoven fabric finally obtained, it is also a preferable aspect to implement the press in the roll and plate without a convex part before or after the process A.

なお、繊維破断を生じることなく非貫通孔を賦形するためには、比較的低密度の炭素繊維前駆体繊維不織布を変形させることが好ましいため、工程Aに供される前の炭素繊維前駆体繊維不織布は、見かけ密度が0.02〜0.20g/cmであることが好ましく、0.05〜0.15g/cmであることがより好ましい。 In addition, in order to shape a non-penetrating hole without causing fiber breakage, it is preferable to deform a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric having a relatively low density, so the carbon fiber precursor before being subjected to step A fiber nonwoven fabric is preferably an apparent density of 0.02~0.20g / cm 3, more preferably 0.05~0.15g / cm 3.

また、ガス拡散電極に用いる炭素繊維不織布は、優れた導電性と熱伝導度が得られるため、見かけ密度を0.20g/cm以上にすることが好ましく、優れたガス拡散性を得るため、見かけ密度を1.00g/cm以下にすることが好ましい。そのためには、炭素繊維前駆体繊維不織布の見かけ密度を0.20〜1.00g/cmにしておくことが好ましい。炭素繊維前駆体繊維不織布の見かけ密度を制御するために、工程Aを行った後、フラットロールやフラットプレートでプレスして調整することもできるが、非貫通孔の形状を制御するという観点から、工程Aにおいて、非貫通孔部分だけではなく炭素繊維前駆体不織布全体を同時に押圧することによって、炭素繊維前駆体繊維不織布の見かけ密度を0.20〜1.00g/cmとすることが好ましい。 Further, the carbon fiber non-woven fabric used for the gas diffusion electrode can obtain excellent conductivity and thermal conductivity, so the apparent density is preferably 0.20 g / cm 3 or more, and the gas diffusibility is excellent, Preferably, the apparent density is 1.00 g / cm 3 or less. For that purpose, it is preferable to make the apparent density of a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric 0.20 to 1.00 g / cm 3 . In order to control the apparent density of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric, after performing step A, it can be adjusted by pressing with a flat roll or flat plate, but from the viewpoint of controlling the shape of non-penetrating holes, In the step A, it is preferable to set the apparent density of the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric to 0.20 to 1.00 g / cm 3 by simultaneously pressing not only the non-through hole portion but the entire carbon fiber precursor non-woven fabric.

〔工程B〕
工程Bは、工程Aで得られた炭素繊維前駆体繊維不織布を炭化処理する工程である。炭化処理の方法は特に限定されず、炭素繊維材料分野における公知の方法を用いることができるが、不活性ガス雰囲気下での焼成が好ましく用いられる。不活性ガス雰囲気下での焼成は、窒素やアルゴンといった不活性ガスを供給しながら、800℃以上で炭化処理を行うことが好ましい。焼成の温度は、優れた導電性と熱伝導性を得やすいために1500℃以上が好ましく、1900℃以上がより好ましい。一方、加熱炉の運転コストの観点を考慮すると、3000℃以下であることが好ましい。
[Step B]
Process B is a process of carbonizing the carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in Process A. The method of carbonization treatment is not particularly limited, and any known method in the field of carbon fiber materials can be used, but baking under an inert gas atmosphere is preferably used. The baking in an inert gas atmosphere is preferably performed by carbonizing at 800 ° C. or higher while supplying an inert gas such as nitrogen or argon. The firing temperature is preferably 1500 ° C. or more, more preferably 1900 ° C. or more, because it is easy to obtain excellent conductivity and thermal conductivity. On the other hand, when the viewpoint of the operating cost of a heating furnace is considered, it is preferable that it is 3000 degrees C or less.

炭素繊維不織布を固体高分子形燃料電池のガス拡散電極として用いる場合、炭化後に厚みが30〜400μmとなるように炭素繊維前駆体繊維不織布の形態や炭化処理条件を調整することが好ましい。   When using a carbon fiber non-woven fabric as a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable to adjust the form of carbon fiber precursor fiber non-woven fabric and carbonization treatment conditions so that the thickness becomes 30 to 400 μm after carbonization.

なお、炭素繊維前駆体不織布が不融化前の炭素繊維前駆体繊維で形成されている場合には、工程Bの前に不融化工程を行うことが好ましい。このような不融化工程は、通常、空気中で、処理時間を10〜100分、温度を150〜350℃の範囲にする。PAN系不融化繊維の場合、密度が1.30〜1.50g/cmの範囲となるように設定することが好ましい。 In the case where the carbon fiber precursor nonwoven fabric is formed of carbon fiber precursor fibers before infusibilization, it is preferable to perform the infusibilization step before the step B. Such an infusibilization step usually brings the treatment time to 10 to 100 minutes and the temperature to 150 to 350 ° C. in air. In the case of PAN-based infusible fiber, it is preferable to set the density to be in the range of 1.30 to 1.50 g / cm 3 .

〔その他〕
本発明の炭素繊維不織布には、そのまま固体高分子形燃料電池のガス拡散電極として用いることもできるが、発電時の水分管理に優れることから、フッ素系樹脂による撥水処理および/またはMPLといわれるフッ素系樹脂と炭素質の導電助剤からなる層を一方の面に形成することが好ましい。
[Others]
The carbon fiber non-woven fabric of the present invention can be used as it is as a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, but it is said to be water repellent treatment with a fluorine resin and / or MPL because it excels in water management during power generation. It is preferable to form a layer composed of a fluorine-based resin and a carbonaceous conductive aid on one side.

実施例中の物性値は以下の方法で測定した。
1.繊維の構造
(1)曲率半径1mm以下の湾曲部を有する炭素繊維の本数
炭素繊維不織布表面の500μm×500μmの面積を走査型電子顕微鏡で観察した。炭素繊維の湾曲部で3点をとり、その3点の外接円の半径として湾曲部の曲率半径を求めた。曲率半径が1mm以下の湾曲部を有する繊維が10本以上確認できた場合に多数とし、それ以下の場合には実測の本数とした。なお、対象とする炭素繊維上で測定した曲率半径のうち最も小さい曲率半径をその炭素繊維の曲率半径とした。
(2)非貫通孔の形状
非貫通孔の開口面積および深さは、レーザー顕微鏡(VK−9710、株式会社キーエンス社製)で観察し、形状解析アプリケーション(VK−Analyzer Plus、株式会社キーエンス社製)を用いて測定した。1000μm×1400μmの視野で凹凸部の計測解析を行い、非貫通孔の非開口面から炭素繊維不織布の加圧時厚みに相当する高さだけ開口面側に存在する平面を想定した上で、当該平面における非貫通孔の断面積の平均値を非貫通孔の開口面積、当該平面より非開口面側に存在する部分の深さの平均値を非貫通孔の深さ(絶対値)とした。このとき、高さのしきい値は1MPaで加圧した際の炭素繊維不織布厚みの値とした。1000μmよりも小さい面積は微小領域として無視した。また、開口率は、全ての非貫通孔の開口面積の総和の、炭素繊維不織布の面積に対するパーセンテージとして求めた。
(3)非貫通孔の壁面における炭素繊維の高さ方向への配向性
非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維が非貫通孔の高さ方向に配向しているかどうかは、レーザー顕微鏡(VK−9710、株式会社キーエンス社製)で観察し、形状解析アプリケーション(VK−Analyzer Plus、株式会社キーエンス社製)を用いて判断した。1000μm×1400μmの視野を観察し、非貫通孔の1/3深さの等分面と非貫通孔内壁面との交線、および2/3深さの等分面と非貫通孔内壁面との交線を共に横切る炭素繊維が1本でも観察されれば、非貫通孔の高さ方向に配向している繊維があると判断した。
(4)炭素繊維不織布の平均孔径
ASTM F316-86の方法で測定し、平均流量細孔径を炭素繊維不織布の平均孔径とした。
2.発電性能
フッ素系電解質膜Nafion212(デュポン社製)の両面に、白金担持炭素とNafionからなる触媒層(白金量0.2mg/cm)をホットプレスによって接合し、触媒層被覆電解質膜(CCM)を作成した。このCCMの両面にガス拡散電極を配して再びホットプレスを行い、膜電極接合体(MEA)とした。ガス拡散電極の周囲にガスケット(厚み70μm)を配したMEAをエレクトロケム社製のシングルセル(5cm、サーペンタイン流路)にセットした。このとき、フッ素系樹脂(PTFE)とガス拡散電極の導電助剤(カーボンブラック)とを塗布した面をMEA側に向けてセットした。
(1)加湿条件での電圧
セル温度を60℃、水素と空気の露点を60℃とし、流量はそれぞれ100cc/分と250cc/分、ガス出口は開放(無加圧)とし、0.6A/cmの電流密度で発電させ、そのときの電圧を加湿条件での電圧とした。
(2)低加湿条件での電圧
セル温度を90℃、水素と空気の露点を60℃とし、流量はそれぞれ1000cc/分と2500cc/分、ガス出口は開放(無加圧)とし、0.6A/cmの電流密度で発電させ、そのときの電圧を低加湿条件での電圧とした。
Physical property values in the examples were measured by the following methods.
1. Fiber Structure (1) Number of Carbon Fibers Having Curved Portions with a Curvature Radius of 1 mm or Less The area of 500 μm × 500 μm of the carbon fiber non-woven fabric surface was observed with a scanning electron microscope. Three points were taken at the curved portion of the carbon fiber, and the radius of curvature of the curved portion was determined as the radius of the circumscribed circle of the three points. When 10 or more fibers having a curved portion with a radius of curvature of 1 mm or less could be confirmed, the number was determined to be large, and in the case of less than 10, the number was actually measured. The smallest radius of curvature among the radii of curvature measured on the target carbon fiber was taken as the radius of curvature of the carbon fiber.
(2) Shape of non-through hole The opening area and depth of non-through hole are observed with a laser microscope (VK-9710, manufactured by Keyence Corporation), and a shape analysis application (VK-Analyzer Plus, manufactured by Keyence Corporation) ) Was used. Conduct measurement analysis of the uneven part with a field of view of 1000 μm × 1400 μm, and assume a plane that exists from the non-opening face of the non-through hole to the opening face side by the height equivalent to the thickness of the carbon fiber non-woven fabric under pressure. The average value of the cross-sectional area of the non-through holes in the plane was taken as the open area of the non-through holes, and the average value of the depth of the portion present on the non-opening side from the plane was taken as the depth (absolute value) of the non-through holes. At this time, the threshold value of the height was taken as the value of the thickness of the carbon fiber non-woven fabric when pressurized at 1 MPa. An area smaller than 1000 μm 2 was ignored as a minute area. Also, the open area ratio was determined as a percentage of the total area of the open areas of all non-through holes to the area of the carbon fiber non-woven fabric.
(3) Orientation of carbon fibers in the height direction on the wall surface of the non-through hole Whether the carbon fibers constituting the wall surface of the non-through hole are oriented in the height direction of the non-through hole can be determined by laser microscopy ( It observed by VK-9710 (made by Keyence Corporation), and judged using shape analysis application (VK-Analyzer Plus, made by Keyence Corporation). Observe a field of view of 1000 μm × 1400 μm, and the line of intersection between the 1⁄3 deep isosection of the non-through hole and the inner wall surface of the non-through hole, and the 1⁄3 deep equal division and inner wall surface of the non-through hole If even one carbon fiber crossing both lines of intersection was observed, it was judged that there was a fiber oriented in the height direction of the non-through hole.
(4) Average pore size of carbon fiber non-woven fabric
The average flow pore diameter was determined by the method of ASTM F316-86, and was taken as the average pore diameter of the carbon fiber non-woven fabric.
2. Power generation performance A catalyst layer (0.2 mg / cm 2 platinum content) consisting of platinum-supported carbon and Nafion is joined by hot pressing on both sides of a fluorine-based electrolyte membrane Nafion 212 (manufactured by DuPont), and a catalyst layer-coated electrolyte membrane (CCM) It was created. Gas diffusion electrodes were disposed on both sides of this CCM, and hot pressing was performed again to obtain a membrane electrode assembly (MEA). An MEA having a gasket (70 μm thick) disposed around the gas diffusion electrode was set in a single cell (5 cm 2 , serpentine flow path) manufactured by Electrochem. At this time, the surface on which the fluorine-based resin (PTFE) and the conductive auxiliary agent (carbon black) of the gas diffusion electrode were applied was set facing the MEA side.
(1) Voltage under humidification conditions The cell temperature is 60 ° C, the dew point of hydrogen and air is 60 ° C, the flow rates are 100cc / min and 250cc / min, and the gas outlet is open (no pressure), 0.6A / Electricity was generated at a current density of cm 2 , and the voltage at that time was taken as the voltage under humidification conditions.
(2) Voltage under low humidification conditions Cell temperature is 90 ° C, dew point of hydrogen and air is 60 ° C, flow rate is 1000cc / min and 2500cc / min, gas outlet is open (no pressure), 0.6A Power was generated at a current density of 1 / cm 2 , and the voltage at that time was taken as the voltage under the low humidification condition.

[実施例1]
PAN系耐炎糸のけん縮糸を数平均繊維長76mmに切断した後、カード、クロスレヤーでシート化した後、針密度100本/cmのニードルパンチを行って炭素繊維前駆体繊維不織布を得た。
Example 1
The crimped yarn of PAN-based flame resistant yarn was cut into a number average fiber length of 76 mm, sheeted with a card and cloth layer, and needle punched at a needle density of 100 / cm 2 to obtain a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric .

この炭素繊維前駆体繊維不織布の一方の面に、直径150μm、高さ150μmの円筒状の凸部が分散形成され、該凸部のピッチがMD、CDとも0.5mm、素繊維前駆体繊維不織布の面積に対する凸部の面積比率が3%であるドットパターンの金属製エンボスロールと、金属製のフラットロールを用い、エンボス加工を行った。エンボスロールおよびフラットロールの加熱温度は220℃、線圧は50kN/mとした。   Cylindrical convex parts with a diameter of 150 μm and a height of 150 μm are dispersedly formed on one surface of this carbon fiber precursor fibrous nonwoven fabric, and the pitch of the convex parts is 0.5 mm for both MD and CD, elemental fiber precursor fibrous nonwoven fabric Embossing was performed using a metal embossing roll made of a dot pattern in which the area ratio of the projections to the area of 3% was 3%, and a metal flat roll. The heating temperature of the embossing roll and the flat roll was 220 ° C., and the linear pressure was 50 kN / m.

その後、窒素雰囲気下で、室温から3時間かけて1500℃まで昇温して15分間1500℃で加熱して炭化処理を行い、図1に示される、非貫通孔を有する炭素繊維不織布を得た。炭化処理前後の重量変化から求めた炭化率は、52%だった。   Thereafter, carbonization was performed by raising the temperature to 1500 ° C. from room temperature over 3 hours and heating at 1500 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon fiber non-woven fabric having non-penetrating holes shown in FIG. . The carbonization ratio calculated from the weight change before and after carbonization was 52%.

当該炭素繊維不織布にPTFEを固形分付着量が5%になるよう含浸付与し、乾燥した。さらに、平滑な面(非貫通孔を形成していない面)にカーボンブラックとPTFEからなるペーストを塗布して乾燥後、15分間380℃で加熱処理し、ガス拡散電極を得た。   The carbon fiber non-woven fabric was impregnated with PTFE so that the solid content adhesion amount was 5%, and dried. Furthermore, a paste consisting of carbon black and PTFE was applied to a smooth surface (surface without non-through holes), dried, and then heat treated at 380 ° C. for 15 minutes to obtain a gas diffusion electrode.

[実施例2]
実施例1と同様にして得た炭素繊維前駆体繊維不織布に対して、固形分で10重量%付着するようにフェノール樹脂を含浸付与した。その後、エンボス加工以降の処理を実施例1と同様に実施して炭素繊維不織布を得た。この炭素繊維不織布に、実施例1と同様の処理を施してガス拡散電極を得た。
Example 2
The carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in the same manner as in Example 1 was impregnated with a phenol resin so that 10% by weight of solid content was adhered. Then, the process after embossing was implemented similarly to Example 1, and the carbon fiber nonwoven fabric was obtained. The carbon fiber nonwoven fabric was subjected to the same treatment as in Example 1 to obtain a gas diffusion electrode.

[実施例3]
実施例1と同様にして得た数平均繊維長76mmの耐炎糸と、数平均繊維長37mmのナイロンステープルを、それぞれ80重量%と20重量%の割合で混綿した後、カード、クロスレヤーおよび針密度100本/cmのニードルパンチを行って炭素繊維前駆体繊維不織布を得た。当該炭素繊維前駆体繊維不織布を用いた以外は実施例1と同様にして、炭素繊維不織布を得た。
[Example 3]
After blending a number average fiber length 76 mm flame resistant yarn obtained in the same manner as in Example 1 and a number average fiber length 37 mm nylon staple at a ratio of 80% by weight and 20% by weight respectively, the card, cross layer and needle density A needle punch of 100 / cm 2 was performed to obtain a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric. A carbon fiber nonwoven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric was used.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

[実施例4]
繊維長10mmのPAN系耐炎糸を用い、抄造法によって湿式不織布を得た。この湿式不織布に対して、10重量%のフェノール樹脂を含浸し、炭素繊維前駆体繊維不織布とした。当該炭素繊維前駆体繊維不織布を用いた以外は実施例1と同様にして、炭素繊維不織布を得た。
Example 4
A wet nonwoven fabric was obtained by a paper-making method using a PAN-based flame resistant yarn with a fiber length of 10 mm. The wet non-woven fabric was impregnated with 10% by weight of phenol resin to obtain a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric. A carbon fiber nonwoven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric was used.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

[比較例1]
実施例3と同様にして得た炭素繊維前駆体繊維不織布に、ビーム径が100μmのYAGレーザーを照射し、MD、CDとも0.5mmに一孔の頻度で孔加工を行った。その後、窒素雰囲気下で15分間、1500℃で加熱して炭化処理を行い、炭素繊維不織布を得た。得られた炭素繊維不織布の平均孔径は12.5μmだった。
Comparative Example 1
A carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in the same manner as in Example 3 was irradiated with a YAG laser having a beam diameter of 100 μm, and holes were formed at a frequency of one hole at 0.5 mm for both MD and CD. Thereafter, carbonization was performed by heating at 1500 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon fiber non-woven fabric. The average pore diameter of the obtained carbon fiber non-woven fabric was 12.5 μm.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

[比較例2]
実施例4と同様にして得た炭素繊維前駆体繊維不織布を用いた以外は比較例1と同様にして炭素繊維不織布を得た。
Comparative Example 2
A carbon fiber nonwoven fabric was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the carbon fiber precursor fiber nonwoven fabric obtained in the same manner as in Example 4 was used.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

[比較例3]
繊維長51mmのPAN系耐炎糸ステープルのストランドで得た平織物に対し、10重量%のフェノール樹脂を含浸付与して炭素繊維前駆体繊維平織物を得た。炭素繊維前駆体繊維不織布の代わりにこの炭素繊維前駆体繊維平織物を用いた以外は実施例1と同様にして、炭素繊維平織物を得た。
Comparative Example 3
10% by weight of a phenolic resin was impregnated and applied to a plain woven fabric obtained from a strand of PAN-based flame resistant yarn staple having a fiber length of 51 mm to obtain a carbon fiber precursor fibrous plain woven fabric. A carbon fiber plain woven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that this carbon fiber precursor fibrous flat woven fabric was used instead of the carbon fiber precursor fibrous nonwoven fabric.

続いて、当該炭素繊維平織物を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, a gas diffusion electrode was obtained using the carbon fiber plain weave in the same manner as in Example 1.

[比較例4]
実施例3と同様にして、炭素繊維前駆体繊維不織布を得た。得られた炭素繊維前駆体繊維不織布に、YAGレーザーの照射時間を比較例1の10倍とした以外は比較例1と同様にして、炭素繊維不織布を得た。得られた炭素繊維不織布に形成された孔は、貫通孔となっていた。
Comparative Example 4
In the same manner as in Example 3, a carbon fiber precursor fiber non-woven fabric was obtained. A carbon fiber non-woven fabric was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the irradiation time of the YAG laser was 10 times as large as that of Comparative Example 1 to the obtained carbon fiber precursor fiber non-woven fabric. The holes formed in the obtained carbon fiber non-woven fabric were through holes.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

[比較例5]
実施例1と同様にして得た炭素繊維前駆体繊維不織布に、一対のフラットロールでプレス加工を行った。一対のフラットロールの加熱温度は220℃、線圧は50kN/m、加工速度は50cm/分とした。プレス加工後の見かけ密度は0.40g/cmだった。その後、窒素雰囲気下で15分間、1500℃で加熱して炭化処理を行い、炭素繊維不織布を得た。当該炭素繊維不織布に、実施例1と同様のエンボス加工を施した。
Comparative Example 5
The carbon fiber precursor fiber non-woven fabric obtained in the same manner as in Example 1 was pressed with a pair of flat rolls. The heating temperature of the pair of flat rolls was 220 ° C., the linear pressure was 50 kN / m, and the processing speed was 50 cm / min. The apparent density after press working was 0.40 g / cm 3 . Thereafter, carbonization was performed by heating at 1500 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon fiber non-woven fabric. The same carbon fiber non-woven fabric was subjected to the same embossing as in Example 1.

続いて、当該炭素繊維不織布を用い、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。   Subsequently, using the carbon fiber non-woven fabric, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as Example 1.

各実施例、比較例で作成したガス拡散電極の基材の構成および燃料電池の発電性能を表1に示す。   The structure of the base material of the gas diffusion electrode prepared in each Example and Comparative Example and the power generation performance of the fuel cell are shown in Table 1.

Claims (7)

曲率半径が1mm以下の湾曲部を有する炭素繊維を含み、炭素繊維不織布の平均孔面積よりも大きい開口面積を有する複数の非貫通孔が表面に分散形成されるとともに、該非貫通孔の壁面を構成している炭素繊維のうち少なくとも一部の炭素繊維が前記非貫通孔の高さ方向に配向している炭素繊維不織布。 A plurality of non-through holes including an open area larger than the average pore area of a carbon fiber non-woven fabric including carbon fibers having a curved portion with a curvature radius of 1 mm or less are dispersedly formed on the surface, and the wall surface of the non-through holes is configured. A carbon fiber non-woven fabric in which at least a part of carbon fibers among the carbon fibers being oriented are oriented in the height direction of the non-through holes. 前記非貫通孔の高さ方向に配向している炭素繊維が、前記非貫通孔の底面まで連続している、請求項1に記載の炭素繊維不織布。 The carbon fiber non-woven fabric according to claim 1, wherein the carbon fiber oriented in the height direction of the non-through hole is continuous to the bottom surface of the non-through hole. 平面視において、前記非貫通孔の開口面積の総和が、前記炭素繊維不織布の面積の1.5%〜60%である、請求項1または請求項に記載の炭素繊維不織布。 The carbon fiber non-woven fabric according to claim 1 or 2 , wherein the total of the open areas of the non-through holes in a plan view is 1.5% to 60% of the area of the carbon fiber non-woven fabric. 前記非貫通孔の開口面積が1000μm〜500mmである、請求項1〜請求項のいずれかに記載の炭素繊維不織布。 The opening area of the non-penetrating pores is 1000 .mu.m 2 500 mm 2, the carbon fiber nonwoven fabric according to any one of claims 1 to 3. 前記非貫通孔の深さが10〜500μmである、請求項1〜請求項のいずれかに記載の炭素繊維不織布。 The carbon fiber non-woven fabric according to any one of claims 1 to 4 , wherein the depth of the non-through holes is 10 to 500 m. 請求項1〜請求項のいずれかに記載の炭素繊維不織布を用いてなる電極用基材。 The base material for electrodes which uses the carbon fiber nonwoven fabric in any one of Claims 1-5 . 請求項に記載の電極用基材を用いてなる燃料電池用ガス拡散電極。 A gas diffusion electrode for a fuel cell, comprising the electrode substrate according to claim 6 .
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