JP6578738B2 - Carbon fiber nonwoven fabric, gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Carbon fiber nonwoven fabric, gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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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に関する。   The present invention relates to a carbon fiber nonwoven fabric suitable for an electrode substrate such as a polymer electrolyte fuel cell.

炭素繊維からなる織編物・不織布は、化学的に安定で適度な圧縮応力を有することから電極基材に適しており、特に固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極への適用が検討されている。   Woven knitted fabrics and nonwoven fabrics made of carbon fibers are suitable for electrode substrates because they are chemically stable and have an appropriate compressive stress, and their application to gas diffusion electrodes for polymer electrolyte fuel cells has been investigated. Yes.

こうした用途に用いる場合、炭素繊維からなる織編物や不織布等の基材は、高い気体透過性が求められている。そこで、基材に空隙を形成させて気体透過性を向上させる試みがなされている。例えば、フェノール樹脂を含浸した有機繊維シートを炭素繊維抄造不織布で挟んで結着させ、焼成により内部に空孔を形成し、ガス拡散性と水の排出性を高めた電極基材が提案されている(特許文献1)。また、炭素繊維と炭素繊維前駆体繊維からなる抄造不織布と有機繊維シートをウォータージェットなどで交絡した後に焼成し、内部に形成された空孔層に炭素繊維を配置した電極基材が提案されている(特許文献2)。   When used for such applications, substrates such as woven and knitted fabrics and nonwoven fabrics made of carbon fibers are required to have high gas permeability. Thus, attempts have been made to improve gas permeability by forming voids in the substrate. For example, an electrode base material has been proposed in which an organic fiber sheet impregnated with a phenolic resin is sandwiched and bound between carbon fiber-made nonwoven fabrics, and pores are formed inside by firing to improve gas diffusibility and water discharge. (Patent Document 1). In addition, an electrode base material in which a non-woven fabric made of carbon fiber and a carbon fiber precursor fiber and an organic fiber sheet are entangled with a water jet or the like and fired, and the carbon fiber is arranged in a hole layer formed inside is proposed. (Patent Document 2).

一方で、レドックスフロー型電池用の電極材料として、空隙により気体ではなく液体の透過性を向上させる基材が検討されている。例えば、焼成後の残炭率の低い有機繊維や天然繊維からなる組紐や織編物などを炭素繊維前駆体繊維からなるウエブの中間層に用いて炭素繊維前駆体繊維と絡合させ、焼成後、中間層部分が消失することにより、シート内部に断面積が0.3mm以上の空孔を有する炭素繊維不織布が提案されている(特許文献3)。 On the other hand, as an electrode material for a redox flow battery, a base material that improves the permeability of a liquid rather than a gas due to a void is being studied. For example, braided or woven or knitted fabric made of organic fibers or natural fibers with a low residual carbon ratio after firing is used for the intermediate layer of the web made of carbon fiber precursor fibers to entangle with the carbon fiber precursor fibers, after firing, A carbon fiber nonwoven fabric having pores with a cross-sectional area of 0.3 mm 2 or more in the sheet has been proposed by the disappearance of the intermediate layer portion (Patent Document 3).

特開2007−269624号公報JP 2007-269624 A 特開2013−206704号公報JP 2013-206704 A 特開2013−144857号公報JP 2013-144857 A

特許文献1で開示された電極基材炭素繊維シートは、気体透過性は十分であるが、空孔層が炭化した樹脂で形成されているため圧縮に弱く、固体高分子形燃料電池に組み込まれる際の締結圧により破壊されやすいという問題があった。   The electrode substrate carbon fiber sheet disclosed in Patent Document 1 has sufficient gas permeability, but is weak in compression because the pore layer is formed of carbonized resin, and is incorporated into a polymer electrolyte fuel cell. There was a problem that it was easily destroyed by the fastening pressure.

一方、特許文献2で開示された電極基材炭素繊維シートは、空孔層に炭素繊維が存在するため、炭化した樹脂で空孔層が形成された場合より耐圧縮性が改善されるものの、炭素繊維が3次元網目状炭素に接合されたものであるため耐圧縮性は未だ不十分であった。また、剛直な炭素繊維が厚さ方向に配向しているため、固体高分子形燃料電池に組み込まれた際の締結圧などで厚さが変動した際に炭素繊維が電解質膜を突き破り、ガスや電流がリークするという問題があった。   On the other hand, the electrode base material carbon fiber sheet disclosed in Patent Document 2 has carbon fibers in the pore layer, so that the compression resistance is improved compared to the case where the pore layer is formed of carbonized resin, Since the carbon fibers are bonded to the three-dimensional network carbon, the compression resistance is still insufficient. In addition, since the rigid carbon fibers are oriented in the thickness direction, when the thickness fluctuates due to the fastening pressure when incorporated into the polymer electrolyte fuel cell, the carbon fibers break through the electrolyte membrane, causing gas and There was a problem that current leaked.

また、特許文献3で開示された炭素繊維不織布は、断面積が0.3mm以上と大きな空孔を有するため液体の透過は容易であるが、空孔が大きい分、耐圧縮性は低下し、また、見掛け密度も低下して導電性も低下する問題がある。そもそも気体を透過させる用途を想定していないため、空孔サイズが大き過ぎて気体を貫通方向に透過させるには高い圧力が必要となる。そのため、例えば固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極基材等の気体を透過させる用途に用いる場合には不都合であった。 Further, the carbon fiber nonwoven fabric disclosed in Patent Document 3, although the cross-sectional area is transparent liquid easy because it has a large void and 0.3 mm 2 or more, the pore is large min, compression resistance is lowered Moreover, there is a problem that the apparent density is lowered and the conductivity is also lowered. In the first place, since the use of gas permeation is not envisaged, the pore size is too large and high pressure is required to permeate gas in the penetration direction. Therefore, for example, it is inconvenient when it is used for a gas permeable electrode such as a gas diffusion electrode substrate for a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、気体の透過抵抗が小さく、耐圧縮性に優れた炭素繊維不織布であって、特に、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極基材に適した炭素繊維不織布の提供を課題とする。   It is an object of the present invention to provide a carbon fiber nonwoven fabric having a low gas permeation resistance and excellent compression resistance, and in particular, providing a carbon fiber nonwoven fabric suitable for a gas diffusion electrode substrate for a polymer electrolyte fuel cell. .

前記課題を達成するための本発明の炭素繊維不織布は、繊維長が30〜100mmの炭素繊維から形成されてなる、炭素繊維同士が交絡し、かつ厚さ方向に配向した炭素繊維を含むとともに、表面と略並行に形成された断面積350μm〜200000μmの空洞部を有する炭素繊維不織布である。 The carbon fiber nonwoven fabric of the present invention for achieving the above-mentioned object includes carbon fibers formed from carbon fibers having a fiber length of 30 to 100 mm, in which carbon fibers are entangled and oriented in the thickness direction, is a carbon fiber nonwoven fabric having a hollow portion of the cross-sectional area formed on the surface almost parallel 350μm 2 ~200000μm 2.

本発明により、炭素繊維同士が交絡し、かつ厚さ方向に配向した炭素繊維を含むことによって厚さ方向への圧縮回復率に優れるとともに、空洞部を有することで気体の透過抵抗を小さく抑えた、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極基材に適した炭素繊維不織布を提供することができる。   According to the present invention, the carbon fiber is entangled with each other and the carbon fiber oriented in the thickness direction is included so that the compression recovery rate in the thickness direction is excellent, and the gas permeation resistance is suppressed to be small by having the hollow portion. A carbon fiber nonwoven fabric suitable for a gas diffusion electrode substrate for a polymer electrolyte fuel cell can be provided.

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の一例である(倍率:200倍)。It is an example of the scanning electron micrograph of the cross section of the carbon fiber nonwoven fabric of this invention (magnification: 200 times). ガス流路非形成セパレータに本発明の炭素繊維不織布をガス拡散電極としてセットしたシングルセルを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the single cell which set the carbon fiber nonwoven fabric of this invention to the gas flow path non-formation separator as a gas diffusion electrode.

本発明の炭素繊維不織布を構成する炭素繊維の種類は特に限定されるものではなく、ポリアクリロニトリル系繊維、ピッチ系繊維、ポリビニルアルコール系繊維、セルロース系繊維、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、ポリベンゾオキサゾール系繊維などの耐炎化繊維を焼成したもの用いることができる。これらの中でも、引張強力、圧縮強力などの機械的強度が比較的高いポリアクリロニトリル系炭素繊維を用いることが好ましい。   The type of carbon fiber constituting the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention is not particularly limited, and polyacrylonitrile fiber, pitch fiber, polyvinyl alcohol fiber, cellulose fiber, lignin fiber, polyacetylene fiber, polyethylene A fired fiber such as fiber or polybenzoxazole-based fiber can be used. Among these, it is preferable to use polyacrylonitrile-based carbon fibers having relatively high mechanical strength such as tensile strength and compression strength.

炭素繊維の繊維長は30〜100mmであることが好ましい。繊維長がこの範囲にあると繊維が絡みやすく、ニードルパンチやウォータージェットパンチで繊維を交絡させた際に炭素繊維を厚さ方向に配向させることができる。炭素繊維の繊維長が30mm未満であると、繊維の絡みが弱くなる傾向にあり、圧縮回復率や電気抵抗が低下する傾向にある。また、厚さ方向に向いた繊維の末端が増加するため、固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極基材に用いる場合には、炭素繊維が電解質膜を貫通し、リーク電流が発生しやすくなる。繊維長が100mmを超えると、カードの通過性が悪くなり不織布の形成が困難になる傾向にある。   The fiber length of the carbon fiber is preferably 30 to 100 mm. When the fiber length is in this range, the fibers are easily entangled, and the carbon fibers can be oriented in the thickness direction when the fibers are entangled with a needle punch or a water jet punch. When the fiber length of the carbon fiber is less than 30 mm, the entanglement of the fiber tends to be weakened, and the compression recovery rate and the electrical resistance tend to decrease. In addition, since the fiber ends facing in the thickness direction increase, when used as a gas diffusion electrode substrate for a polymer electrolyte fuel cell, the carbon fiber penetrates the electrolyte membrane and leak current is likely to occur. Become. If the fiber length exceeds 100 mm, the card passing property tends to be poor and the formation of the nonwoven fabric tends to be difficult.

本発明において、炭素繊維の繊維径は特に限定されないが、繊維が細いと周囲のものとの接触が容易になり、高い導電性が得やすいものの、気体や液体の高い透過性を得ることが困難である。適当な繊維径の例は3〜30μmであり、5〜20μmであることがより好ましい。   In the present invention, the fiber diameter of the carbon fiber is not particularly limited, but if the fiber is thin, contact with the surroundings is easy and high conductivity is easily obtained, but it is difficult to obtain high gas and liquid permeability. It is. The example of a suitable fiber diameter is 3-30 micrometers, and it is more preferable that it is 5-20 micrometers.

本発明の炭素繊維不織布は、不織布表面と略並行に形成された断面積350μm〜200000μm(直径21〜500μmの円相当)の空洞部を有する。本発明でいう空洞部とは、炭素繊維不織布の内部にトンネル状に形成された炭素繊維の存在しない空間であって、奥行き方向に10mm以上の長さを有するものを意味する。以降、単に空洞部の長さという場合には、当該奥行き方向の長さを意味するものとする。また、空洞部の断面積とは、前述した空洞部の奥行き方向に対して垂直な断面の面積を意味するものとする。なお、本発明においては、空洞部の断面が表れるように炭素繊維不織布をカットし、任意に面方向5mmの範囲の断面を観察し、その範囲内に存在する空洞部断面のうち最大内接円の直径が最も大きくなる空洞部断面において、最大内接円の面積が350μm〜200000μmであれば、断面積350μm〜200000μmの空洞部を有すると判断するものとする。 Carbon fiber nonwoven fabric of the present invention has a hollow portion of the cross-sectional area 350μm 2 ~200000μm 2 formed approximately parallel and the nonwoven fabric surface (equivalent circle diameter 21~500μm). The hollow part as used in the field of this invention means the space in which the carbon fiber formed in the tunnel shape inside the carbon fiber nonwoven fabric does not exist, and has a length of 10 mm or more in the depth direction. Henceforth, when only calling the length of a cavity part, it shall mean the length of the said depth direction. Moreover, the cross-sectional area of the cavity portion means the area of a cross section perpendicular to the depth direction of the cavity portion described above. In the present invention, the carbon fiber nonwoven fabric is cut so that the cross section of the cavity appears, and the cross section in the range of 5 mm in the plane direction is arbitrarily observed, and the maximum inscribed circle among the cross sections of the cavity existing in the range. in cavity cross-section of the diameter is greatest, the area of the maximum inscribed circle if 350μm 2 ~200000μm 2, shall be deemed to have a hollow portion of the cross-sectional area 350μm 2 ~200000μm 2.

また、空洞部の長さが10mm未満であると、ガスの拡散性や水の排出性が不十分となり、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極としての性能が低下する。空洞部の長さは30mm以上であることが好ましく、50mm以上であることがより好ましい。空洞部の長さは、例えばイオンビームやカミソリでカットすることにより空洞部の奥行き方向に連続した試験片を作成し、その断面を走査型電子顕微鏡で観察することや、X線CTを用いた断層画像などにより、10mm以上にわたって空洞部が連続していることを確認することで判断することができる。   Further, if the length of the cavity is less than 10 mm, the gas diffusibility and the water discharge are insufficient, and the performance as a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell is deteriorated. The length of the cavity is preferably 30 mm or more, and more preferably 50 mm or more. For the length of the cavity, for example, a test piece continuous in the depth direction of the cavity is created by cutting with an ion beam or a razor, and the cross section is observed with a scanning electron microscope, or X-ray CT is used. It can be determined by confirming that the cavity is continuous over 10 mm or more by a tomographic image or the like.

固体高分子形燃料電池のガス拡散電極基材に用いた場合、空洞部の断面積が小さすぎると気体や液体の高い透過性を得ることが難しいことから、空洞部の断面積は1000μm以上であることがより好ましく、8000μm以上であることがさらに好ましい。空洞部が大きすぎると導電性を得ることが難しくなり易いため、空洞部の断面積は180000μm以下であることがより好ましく、160000μm以下であることがさらに好ましい。 When used as a gas diffusion electrode substrate of a polymer electrolyte fuel cell, it is difficult to obtain a high gas or liquid permeability if the cross-sectional area of the cavity is too small. Therefore, the cross-sectional area of the cavity is 1000 μm 2 or more. It is more preferable that it is 8000 μm 2 or more. Liable becomes difficult to obtain the conductive cavity is too large, more preferably the cross-sectional area of the cavity portion is 180000Myuemu 2 or less, and more preferably 160000Myuemu 2 or less.

本発明の炭素繊維不織布は、複数の空洞部を含むことが好ましい。この場合、空洞部は断続的に(すなわち、独立して)形成されていても良いが、例えば固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極等の気体を透過させる用途に用いる場合には、ガスの拡散性や水の排出を効果的に行うため、空洞部が相互に連結して網目状に配置されていることが好ましい。複数の空洞部が縦横に形成され、格子状に配置されている、すなわち、全体として炭素繊維不織布内部に格子状の連続空間を構成していることは、特に好ましい態様である。複数の空洞部が網目状または格子状に配置されていることは、X線CTを用いた断層画像により判断することができる。   The carbon fiber nonwoven fabric of the present invention preferably includes a plurality of cavities. In this case, the hollow portion may be formed intermittently (that is, independently). However, for example, when used for a gas permeable electrode such as a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a gas is used. It is preferable that the cavities are connected to each other and arranged in a mesh shape in order to effectively diffuse the water and discharge water. It is a particularly preferable aspect that the plurality of cavities are formed vertically and horizontally and arranged in a lattice shape, that is, a continuous lattice-like space is formed inside the carbon fiber nonwoven fabric as a whole. It can be determined from a tomographic image using X-ray CT that the plurality of cavities are arranged in a mesh or lattice pattern.

本発明の炭素繊維不織布は、炭素繊維同士が交絡している。ここで、炭素繊維不織布において炭素繊維が交絡していることは、不織布表面において湾曲した炭素繊維同士が交差しつつ絡み合っている様子が観察されることで確認することができる。   In the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention, carbon fibers are entangled with each other. Here, it is possible to confirm that the carbon fibers are entangled in the carbon fiber nonwoven fabric by observing that the carbon fibers curved on the nonwoven fabric surface are intertwined while intersecting each other.

また、本発明の炭素繊維不織布は、厚さ方向に配向した炭素繊維を含んでいる。ここで、厚さ方向に配向した炭素繊維とは、空洞部の断面が表れるように炭素繊維不織布をカットし、当該断面において、空洞部と空洞部の間の炭素繊維が存在する部分を走査型電子顕微鏡で倍率200倍にて観察した際、面方向に対し10〜90°の角度を向いた炭素繊維をいう。このような構造にすることで、圧縮時には、厚さ方向に配向した炭素繊維が柱となり、圧縮による破壊が少なく、圧縮から開放した際の厚さの回復性(圧縮回復率)が高い炭素繊維不織布を得ることができる。固体高分子形燃料電池用のガス拡散電極基材に用いる場合には、圧縮に対する耐久性と圧縮時の炭素繊維による電解質膜の貫通抑制に高い効果が得られる点で、厚さ方向に配向した繊維の面方向に対する角度は20〜80°であることが好ましく、30〜70°であることがより好ましい。   Moreover, the carbon fiber nonwoven fabric of this invention contains the carbon fiber orientated in the thickness direction. Here, the carbon fiber oriented in the thickness direction means that the carbon fiber nonwoven fabric is cut so that the cross section of the cavity portion appears, and the portion where the carbon fiber exists between the cavity portion and the cavity portion in the cross section is a scanning type. When observed with an electron microscope at a magnification of 200, it refers to a carbon fiber oriented at an angle of 10 to 90 ° with respect to the plane direction. By adopting such a structure, carbon fibers oriented in the thickness direction during compression become pillars, carbon fiber is less damaged by compression, and has a high thickness recoverability (compression recovery rate) when released from compression. A nonwoven fabric can be obtained. When used as a gas diffusion electrode base material for polymer electrolyte fuel cells, it is oriented in the thickness direction because it has a high effect on the durability against compression and the suppression of penetration of the electrolyte membrane by the carbon fiber during compression. The angle with respect to the surface direction of the fiber is preferably 20 to 80 °, and more preferably 30 to 70 °.

本発明の炭素繊維不織布の目付は、特に限定されないが、40〜500g/mが好ましく、60〜400g/mがより好ましい。目付が低いと製造時の工程張力に耐えられないとともに、取扱い性が悪く、目付が高いと電極基材として用いた場合の気体や液体の透過が困難になるためである。ここで、目付とは、炭素繊維不織布の重量を面積で除したものである。 Basis weight of the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention is not particularly limited, but is preferably 40~500g / m 2, 60~400g / m 2 is more preferable. This is because if the basis weight is low, the process tension at the time of production cannot be endured, the handleability is poor, and if the basis weight is high, it is difficult to permeate gas or liquid when used as an electrode substrate. Here, the basis weight is the weight of the carbon fiber nonwoven fabric divided by the area.

本発明の炭素繊維不織布の厚さは特に限定されるものではないが、80〜1000μmが好ましく、100〜800μmがより好ましく、150〜700μmがさらに好ましい。厚さが薄すぎると製造時の工程張力に耐えられず、厚すぎると気体や液体の透過が困難になるとともに導電性が低下する傾向にある。ここで、炭素繊維不織布の厚さとは、JISL 1913 6.1(厚さ(A法))に準じて、5cm×5cmの試験片を10枚採取し、全自動圧縮弾性・厚さ測定器((株)大栄科学精機製作所製、型式:CEH−400)を用いて、圧力0.5kPaの加圧下で10秒後における各試験片の厚さを測り、その平均をとった値である。   Although the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric of this invention is not specifically limited, 80-1000 micrometers is preferable, 100-800 micrometers is more preferable, 150-700 micrometers is further more preferable. If the thickness is too thin, it cannot withstand the process tension at the time of manufacture, and if it is too thick, gas and liquid permeation becomes difficult and conductivity tends to be lowered. Here, the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric refers to ten 5 cm × 5 cm test pieces according to JISL 1913 6.1 (thickness (Method A)), and is a fully automatic compression elasticity / thickness measuring instrument ( This is a value obtained by measuring the thickness of each test piece after 10 seconds under a pressure of 0.5 kPa using Daiei Kagaku Seiki Seisakusho Co., Ltd. (model: CEH-400).

本発明の炭素繊維不織布の見かけ密度は特に限定されるものではないが、0.20〜1.00g/cmが好ましく、0.25〜0.90g/cmがより好ましく、0.30〜0.80g/cmがさらに好ましい。固体高分子形燃料電池のガス拡散電極基材として用いた場合、見かけ密度が0.20g/cm未満では十分な導電性を得ることが困難であるとともに、付与される圧力によっても構造が破壊し易く、また、1.00g/cmを越えると十分な気体や液体の透過性を得ることが困難となる傾向にある。炭素繊維不織布の見かけ密度は、目付を厚さで除したものである。 While the apparent density of the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention is not particularly limited, and is preferably 0.20~1.00g / cm 3, more preferably 0.25~0.90g / cm 3, 0.30~ 0.80 g / cm 3 is more preferable. When used as a gas diffusion electrode substrate of a polymer electrolyte fuel cell, it is difficult to obtain sufficient conductivity when the apparent density is less than 0.20 g / cm 3 , and the structure is destroyed by the applied pressure. In addition, if it exceeds 1.00 g / cm 3 , it tends to be difficult to obtain sufficient gas and liquid permeability. The apparent density of the carbon fiber nonwoven fabric is the basis weight divided by the thickness.

本発明の炭素繊維不織布をガス拡散電極基材として用いる場合は、撥水処理することが好ましい。ガス拡散電極基材の表面が撥水性を有すると、燃料電池を構成したとき、発電反応の生成水による目詰まりを抑制することができるようになり、反応に必要な物質を十分に供給することができるようになって発電効率が向上する。   When using the carbon fiber nonwoven fabric of this invention as a gas diffusion electrode base material, it is preferable to perform water-repellent treatment. When the surface of the gas diffusion electrode substrate has water repellency, when a fuel cell is constructed, it becomes possible to suppress clogging due to water generated in the power generation reaction, and supply sufficient substances necessary for the reaction. Power generation efficiency is improved.

また、本発明の炭素繊維不織布をガス拡散電極基材とし、電解質膜の両側に配置することで、膜電極接合体(MEA)を構成することができる。そして、MEAは、さらにその両側にセパレータを配置して、固体高分子形燃料電池とすることができる。   Moreover, a membrane electrode assembly (MEA) can be comprised by using the carbon fiber nonwoven fabric of this invention as a gas diffusion electrode base material, and arrange | positioning on both sides of an electrolyte membrane. The MEA can be further provided with separators on both sides to form a solid polymer fuel cell.

セパレータとしては、サーペンタイン型流路やストレート型流路など、表面にガスの流路となる溝が形成されたものが一般的に用いられている。しかし、本発明の炭素繊維不織布をガス拡散電極基材として用いたMEAは、ガス拡散電極内部の空洞部がセパレータのガス流路の機能を代替することができるため、ガス流路が形成されていないセパレータと組み合わせた燃料電池とした場合でも発電が可能である。本発明の炭素繊維不織布からなる固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極と、ガス流路が形成されていないセパレータとを有する固体高分子形燃料電池は、燃料電池の製造コストの低減に寄与する可能性がある。   As the separator, one having a groove on the surface that serves as a gas channel, such as a serpentine channel or a straight channel, is generally used. However, the MEA using the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention as a gas diffusion electrode substrate has a gas flow path formed because the cavity inside the gas diffusion electrode can replace the function of the gas flow path of the separator. Electricity can be generated even when a fuel cell is combined with a separator. A polymer electrolyte fuel cell having a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell made of the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention and a separator in which no gas flow path is formed contributes to a reduction in the manufacturing cost of the fuel cell. there is a possibility.

次に、本発明の炭素繊維不織布を得るための好ましい製造方法について、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維を使用した例を記載する。   Next, an example of using a polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber will be described as a preferred production method for obtaining the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention.

PAN系炭素繊維の前駆体としては、アクリロニトリル90重量%、好ましくは95重量%以上からなるアクリル系共重合体を使用することができる。アクリロニトリルと共重合するコモノマーとしては、アクリル酸、イタコン酸等の有機酸、若しくはそれらの有機酸のメチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル、ブチルエステル、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、またはアリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレンスルホン酸等の有機酸、若しくはそれら有機酸の金属塩等が挙げられる。   As the precursor of the PAN-based carbon fiber, an acrylic copolymer composed of 90% by weight of acrylonitrile, preferably 95% by weight or more can be used. Comonomers that copolymerize with acrylonitrile include organic acids such as acrylic acid and itaconic acid, or methyl esters, ethyl esters, propyl esters, butyl esters, alkali metal salts, ammonium salts, or allyl sulfonic acids, methacrylates of these organic acids. Examples thereof include organic acids such as rylsulfonic acid and styrenesulfonic acid, and metal salts of these organic acids.

アクリル共重合体は、乳化重合、塊状重合あるいは溶液重合等の公知の方法によって重合することができ、紡糸原液は、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、硝酸あるいはロダンソーダー水溶液等により調製することができる。なお、紡糸原液中のアクリロニトリル共重合体の濃度は、好ましくは13〜25重量%、より好ましくは15〜20重量%である。アクリロニトリル共重合体の濃度が13重量%未満の場合は、乾湿式紡糸法により得られる繊維の表面に、フィブリルに起因する凹凸の発生が顕在化し、得られる炭素繊維の強度特性が低下することがある。   The acrylic copolymer can be polymerized by a known method such as emulsion polymerization, bulk polymerization, or solution polymerization, and the spinning dope can be prepared with dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, nitric acid, an aqueous rhodium soda solution, or the like. it can. The concentration of the acrylonitrile copolymer in the spinning dope is preferably 13 to 25% by weight, more preferably 15 to 20% by weight. When the concentration of the acrylonitrile copolymer is less than 13% by weight, unevenness due to fibrils appears on the surface of the fiber obtained by the dry and wet spinning method, and the strength characteristics of the obtained carbon fiber may be reduced. is there.

次に、この紡糸原液を口金から一旦空気中に押し出し、溶媒と水から成る凝固浴中に紡出する乾湿式紡糸法により紡糸後、水洗、浴延伸する。ここで構成単繊維間での接着を有効に抑止するために、例えば、アミノ変性シリコーンを必須成分としたシリコーン系油剤等を付与することが好ましい。その後、乾燥緻密化し必要に応じて加圧スチーム等の熱媒中で延伸することによりアクリル系共重合体繊維を得る。   Next, this spinning solution is once extruded from the die into the air, spun by a dry and wet spinning method in which the spinning solution is spun into a coagulation bath composed of a solvent and water, washed with water, and stretched in a bath. Here, in order to effectively suppress adhesion between the constituent single fibers, for example, it is preferable to apply a silicone-based oil agent containing amino-modified silicone as an essential component. Thereafter, it is dried and densified, and stretched in a heating medium such as pressurized steam as necessary to obtain acrylic copolymer fibers.

このようにして得られたアクリル系共重合体繊維を、200〜300℃の空気雰囲気中で、必要に応じて延伸しながら加熱することにより耐炎化繊維を得る。   The acrylic copolymer fiber thus obtained is heated in an air atmosphere at 200 to 300 ° C. while being stretched as necessary to obtain a flame-resistant fiber.

得られた耐炎化繊維は、30〜100mmの短繊維とし、カーディングした繊維をパラレルレイ、クロスレイ、エアレイ等して乾式ウエブを作製する。   The obtained flame-resistant fiber is made into a short fiber of 30 to 100 mm, and a dry web is produced by using carded fibers in parallel lay, cross lay, air lay, or the like.

このようなウエブを、繊維布帛の片面または両面に積層し、ともにニードルパンチおよび/またはウォータージェットパンチを行う。繊維布帛は、後述する圧縮処理においてスペーサーの機能を果たすとともに、焼成により炭素化する際に体積が減少し、これにより繊維布帛を構成する繊維の跡に空洞部が形成される。   Such a web is laminated on one side or both sides of the fiber fabric, and needle punching and / or water jet punching are both performed. The fiber fabric functions as a spacer in the compression treatment described later, and its volume is reduced when it is carbonized by firing, whereby a cavity is formed in the traces of the fibers constituting the fiber fabric.

繊維布帛の炭化収率が20%以下であると、耐炎化繊維を炭素化する工程で体積が大きく減少する。従って、焼成後の空洞部の形状をコントロールすることが容易になるとともに、気体の面方向、厚さ方向への高い透過性を得ることができるため好ましい。繊維布帛の炭化収率は、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。ここでいう炭化収率は、熱重量測定(TG)法で、窒素雰囲気下、10℃/分で昇温したときの重量変化を測定し、室温での重量と800℃での重量との差を、室温での重量で除したものをいう。   When the carbonized yield of the fiber fabric is 20% or less, the volume is greatly reduced in the step of carbonizing the flame resistant fiber. Therefore, it is preferable because it becomes easy to control the shape of the cavity after firing, and high permeability in the gas surface direction and thickness direction can be obtained. The carbonization yield of the fiber fabric is more preferably 10% or less, and further preferably 5% or less. The carbonization yield here is the difference between the weight at room temperature and the weight at 800 ° C. by measuring the change in weight when the temperature is raised at 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere by the thermogravimetry (TG) method. Is divided by the weight at room temperature.

繊維布帛を構成する繊維としては、ポリエチレン系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエチレンテレフタレート系繊維、ポリ乳酸系繊維、ポリアミド系繊維などを挙げることができる。   Examples of fibers constituting the fiber fabric include polyethylene fibers, polypropylene fibers, polyethylene terephthalate fibers, polylactic acid fibers, and polyamide fibers.

繊維布帛を構成する繊維の繊維長、繊維径は、炭素化する際に体積を減らして断面積350μm〜200000μmの空洞部を形成するように適宜調節される。繊維長は、特に限定されるものではなく、30〜100mm程度の短繊維、長繊維のいずれも用いることができる。繊維布帛を構成する繊維の径が大きいほど空洞部の径は大きくなり、気体や液体の透過は容易になるが、高い導電性を得ることが難しくなる。 Fiber length of the fibers constituting the fiber fabric, the fiber diameter is appropriately adjusted so as to form a cavity of the cross-sectional area 350μm 2 ~200000μm 2 to reduce the volume at the time of carbonization. The fiber length is not particularly limited, and any of short fibers and long fibers of about 30 to 100 mm can be used. The larger the diameter of the fiber constituting the fiber fabric, the larger the diameter of the cavity, and the easier the permeation of gas or liquid, but it becomes difficult to obtain high conductivity.

繊維布帛の形態は特に限定されるものではなく、織物、編物、不織布、ネット状物等を例示することができる。例えば、厚さ方向の導電性を優先する場合は、布帛の目開きを大きくし、気体や液体の透過性を優先する場合は、布帛の目開きを小さくすることでその効果を発現できる。   The form of the fiber fabric is not particularly limited, and examples thereof include woven fabrics, knitted fabrics, nonwoven fabrics, and net-like materials. For example, when priority is given to the conductivity in the thickness direction, the effect can be expressed by increasing the mesh opening of the fabric, and when priority is given to the permeability of gas or liquid, reducing the mesh opening of the fabric.

織物としては、例えば、平織や朱子織、斜文織といった一重組織、通風織などの二重組織、ビロードやベルベットといったパイル組織、紗などの絡み組織、紋織、綴織のいずれでもよい。編物としては、例えば、平編、ゴム編、両面編、レース編などのヨコ編、デンビー、アトラス、コードなどのタテ編を適宜選択できる。繊維布帛は不織布であってもよく、湿式不織布、乾式不織布のいずれでもよい。また、繊維布帛中において繊維の交点とそれ以外の場所で厚さに差がない方が均一な空洞部を形成しやすいことから、熱プレスなどの方法により、これらの布帛の交点を融着することも好ましい態様である。   The woven fabric may be, for example, a single structure such as plain weaving, satin weaving, or oblique weaving, a double structure such as ventilating weaving, a pile structure such as velvet or velvet, an entangled structure such as folds, a crest weaving, or a binding weaving. As the knitted fabric, for example, a horizontal knitting such as a flat knitting, a rubber knitting, a double-sided knitting, a lace knitting, and a vertical knitting such as a denby, an atlas, and a cord can be appropriately selected. The fiber fabric may be a nonwoven fabric, and may be either a wet nonwoven fabric or a dry nonwoven fabric. Also, in the fiber fabric, it is easier to form a uniform cavity when there is no difference in the thickness between the intersection of the fibers and the other locations. Therefore, the intersections of these fabrics are fused by a method such as hot pressing. This is also a preferred embodiment.

上記の耐炎化繊維のウエブと繊維布帛とを積層し、ニードルパンチおよび/またはウォータージェットパンチすることによって、繊維同士が相互に交絡するとともに繊維布帛の開口部を貫通して厚さ方向への繊維の配向が進む。開口率が低い繊維布帛を用いた場合は、繊維布帛を貫通して厚さ配向する繊維が少なくなるため、焼成後に得られる炭素繊維不織布の耐圧縮性や厚さ方向の導電性が劣る傾向にあり、開口率が高い繊維布帛を用いた場合は、気体や液体の透過性に劣る傾向にある。そのため、マイクロスコープや透過光で観察される繊維布帛の開口率は、20〜80%であることが好ましく、25〜70%であることがより好ましく、30〜65%であることがさらに好ましい。   By laminating the above-mentioned flame-resistant fiber web and fiber fabric and needle punching and / or water jet punching, the fibers are entangled with each other and penetrate through the opening of the fiber fabric in the thickness direction. The orientation proceeds. When a fiber fabric having a low opening ratio is used, the number of fibers penetrating through the fiber fabric and thickness-oriented is reduced, so that the compression resistance and the conductivity in the thickness direction of the carbon fiber nonwoven fabric obtained after firing tend to be inferior. In addition, when a fiber fabric having a high aperture ratio is used, the permeability of gas or liquid tends to be inferior. Therefore, the aperture ratio of the fiber fabric observed with a microscope or transmitted light is preferably 20 to 80%, more preferably 25 to 70%, and further preferably 30 to 65%.

なお、繊維布帛に代えて、断面積350μm〜200000μmの空洞部を形成できる繊維直径を有するモノフィラメントやマルチフィラメントを並べ、耐炎化繊維のウェブで挟み、ニードルパンチおよび/またはウォータージェットパンチを行っても良い。 Instead of the fiber fabric, arranged monofilaments or multifilaments having a fiber diameter that can form a cavity of the cross-sectional area 350μm 2 ~200000μm 2, sandwiched by the oxidized fiber web, subjected to needle punching and / or water jet punching May be.

繊維の配向は、ニードルパンチであれば、針の形状や打ち込み本数によって調節でき、バーブの数、容積、針密度が増えると厚さ方向へ移動する繊維の本数が増える。ウォータージェットパンチの場合は、ノズル径や水圧が大きくなることで厚さ方向へ移動しやすくなる。ウエブの搬送速度は遅いほど厚さ方向へ移動させる効果が大きくなる。乾燥工程が不要で、高い生産性を期待できる点でニードルパンチのみを実施することが好ましい。   In the case of a needle punch, the fiber orientation can be adjusted by the shape of the needle and the number of driven needles. The number of fibers moving in the thickness direction increases as the number of barbs, the volume, and the needle density increase. In the case of a water jet punch, it becomes easy to move in the thickness direction by increasing the nozzle diameter and water pressure. The slower the web transport speed, the greater the effect of moving in the thickness direction. It is preferable to carry out only the needle punch because a drying step is unnecessary and high productivity can be expected.

ニードルパンチ工程で針のバーブに繊維布帛を構成する繊維が引っ掛かることを避けるため、繊維布帛を形成する繊維は、比較的繊維径の大きいモノフィラメントまたは、撚数が1000〜4000T/Mのマルチフィラメントであることが好ましい。撚数は、一般織物試験方法であるJIS L1096(2005)8.8.2で規定された方法により計測できる。   In order to avoid the fibers constituting the fiber fabric from being caught by the needle barb in the needle punching process, the fibers forming the fiber fabric are monofilaments having a relatively large fiber diameter or multifilaments having a twist number of 1000 to 4000 T / M. Preferably there is. The number of twists can be measured by a method defined in JIS L1096 (2005) 8.8.2, which is a general textile testing method.

耐炎化繊維からなるウエブの繊維布帛への積層は、両面でも片面でも、1枚でも複数枚でも構わない。表裏の均一性の観点からは、両面に積層することが好ましく、プロセスが単純で取扱や低コスト化が容易だという点からは片面への積層が好ましい。   Lamination of the web made of flame-resistant fibers to the fiber fabric may be double-sided, single-sided, single-sheeted or plural-sheeted. From the viewpoint of uniformity between the front and back, it is preferable to laminate on both sides, and lamination on one side is preferred from the viewpoint that the process is simple and handling and cost reduction are easy.

次に、カレンダーローラーによる連続式のプレス機や平板によるプレス機を用いて熱プレスを行う。通常、ニードルパンチおよび/またはウォータージェットパンチで得られた複合シートの見かけ密度は0.02〜0.20g/cm程度であり、そのまま炭素化すると電極基材として必要な導電性を得ることが困難なためである。このとき、複合シートの見かけ密度が0.3〜1.3g/cmになるように圧縮処理を行うことが好ましい。この場合、原料組成、紡糸条件によって、適切な圧縮処理条件が異なるが、処理状況を確認しながら、温度や圧力、圧縮速度を制御することができる。概ね、圧縮の効果を得るためには100℃以上で行うことが好ましく、130℃以上がより好ましい。また、温度が高すぎると繊維の溶融や劣化を生じ易いことから、400℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましい。特に、焼成後の空洞部の形状のコントロールを容易にする観点から、炭化収率が20%以下の繊維布帛が溶融しない温度で圧縮処理することが好ましい。 Next, hot pressing is performed using a continuous press machine using a calendar roller or a press machine using a flat plate. Usually, the apparent density of the composite sheet obtained by needle punch and / or water jet punch is about 0.02 to 0.20 g / cm 3 , and if it is carbonized as it is, the conductivity necessary as an electrode substrate can be obtained. This is because it is difficult. At this time, the compression treatment is preferably performed so that the apparent density of the composite sheet is 0.3 to 1.3 g / cm 3 . In this case, although appropriate compression processing conditions vary depending on the raw material composition and spinning conditions, the temperature, pressure, and compression speed can be controlled while confirming the processing status. In general, in order to obtain the compression effect, it is preferably performed at 100 ° C. or higher, more preferably 130 ° C. or higher. In addition, when the temperature is too high, the fiber is likely to melt or deteriorate, and therefore, the temperature is preferably 400 ° C. or lower, more preferably 250 ° C. or lower. In particular, from the viewpoint of facilitating control of the shape of the cavity after firing, the compression treatment is preferably performed at a temperature at which the fiber fabric having a carbonization yield of 20% or less does not melt.

続いて、このように作成した複合シートを焼成し、炭素繊維化する焼成工程を行う。焼成方法は、一般的に用いられている方法であれば特に限定されないが、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気下にて、800℃以上の加熱処理を行うことが好ましく、ガス拡散電極基材として用いる場合は、2000℃以上の温度の黒鉛化処理を行うことがより好ましい。   Then, the composite sheet produced in this way is baked and the baking process which makes carbon fiber is performed. The firing method is not particularly limited as long as it is a commonly used method, but it is preferable to perform a heat treatment at 800 ° C. or higher under an inert atmosphere such as nitrogen or argon. When used, it is more preferable to perform graphitization at a temperature of 2000 ° C. or higher.

なお、炭素繊維化後に見かけ密度0.2〜1.0g/cmの炭素繊維不織布となるように複合シート化する熱プレス処理条件や焼成の条件を適宜調整することが好ましい。 Incidentally, it is preferable to appropriately adjust the thermal press treatment conditions and sintering conditions of the composite sheeting so that the carbon fiber nonwoven fabric of density 0.2 to 1.0 g / cm 3 apparent after carbon fibers of.

また、本発明の炭素繊維不織布の他の製造方法を以下に例示する。   Moreover, the other manufacturing method of the carbon fiber nonwoven fabric of this invention is illustrated below.

まず、繊維長30〜100mmの耐炎化繊維をカーディングし、パラレルレイまたはクロスレイ、エアレイなどにより乾式ウエブを作製する。このようなウエブを、ニードルパンチおよび/またはウォータージェットパンチを行い、耐炎化繊維不織布とする。   First, a flame resistant fiber having a fiber length of 30 to 100 mm is carded, and a dry web is produced by parallel lay, cross lay, air lay, or the like. Such a web is subjected to needle punching and / or water jet punching to form a flameproof fiber nonwoven fabric.

この耐炎化繊維不織布をエンボスロールによる熱プレスや、凹凸パターンがついた金属板、繊維布帛などを耐炎化繊維不織布の片面に押し当てて熱プレスすることで、耐炎化繊維不織布の片面のみに凹凸パターンを形成する。次に、凹凸パターンを形成した耐炎化繊維不織布の凹凸パターン面同士を合わせて張り合わせて焼成または、先に耐炎化繊維不織布を焼成して炭素繊維化不織布とした後、凹凸パターン面同士を合わせて張り合わせることで、空洞部を有する炭素繊維不織布を得ることができる。   This flame resistant fiber nonwoven fabric is heat-pressed with an embossing roll, or a metal plate with a concavo-convex pattern, fiber fabric, etc. is pressed against one side of the flame resistant fiber nonwoven fabric and hot pressed, so that only one surface of the flame resistant fiber nonwoven fabric is uneven. Form a pattern. Next, the concavo-convex pattern surfaces of the flame-resistant fiber nonwoven fabric formed with the concavo-convex pattern are bonded together and fired, or after firing the flame-resistant fiber nonwoven fabric into a carbon fiber nonwoven fabric, the concavo-convex pattern surfaces are joined together By bonding together, a carbon fiber nonwoven fabric having a cavity can be obtained.

凹凸パターンを形成するために用いることができるエンボスロールや金属板の凹凸のパターンは、ドット状、格子状、ストライプ状、千鳥状、亀甲状など特に限定されるものではないが、凹部を基材の両端まで途切れずに形成しやすい格子状やストライプ状のエンボスロールを用いることが好ましい。   Embossing rolls that can be used to form a concavo-convex pattern and the concavo-convex pattern of a metal plate are not particularly limited, such as a dot shape, a lattice shape, a stripe shape, a staggered shape, or a tortoiseshell shape. It is preferable to use a grid-like or stripe-like embossing roll that is easy to form without being interrupted to both ends.

凹凸面を張り合わせる方法は特に限定されるものではないが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の加熱硬化型樹脂を凹凸形成面のみにスプレーやコーティングによる塗布または、基材に含浸した後に凹凸面同士を合わせて熱プレスすることで張り合わせる方法等を挙げることができる。   The method for pasting the uneven surfaces is not particularly limited, but it is possible to apply heat-curing resin such as phenol resin, epoxy resin, acrylic resin by spraying or coating only on the uneven surface or impregnating the substrate after impregnation. A method of pasting the surfaces together by hot pressing can be given.

凹凸面を張り合わせた後の焼成工程は、前記同様の方法を用いることができる。   The same method as described above can be used for the baking step after the uneven surfaces are bonded together.

本発明の炭素繊維不織布には、形態保持性やハンドリング性等を向上させるために、バインダーが付着していることが好ましい。バインダーは前駆体として付与することが好ましく、焼成によって炭素化するものであれば、特に限定されないが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を挙げることができる。また、導電性を向上するためにカーボンブラック等を分散したバインダー前駆体溶液の状態で浸漬やスプレーにより付与できる。炭素化の際に収縮して形態が変化し、表面の平滑性を損ない易いため、複合シートを炭素化し、それ以上収縮しない炭素繊維不織布としてからバインダー前駆体を付与して再度炭素化することが、形態の安定性、表面平滑性の観点から好ましい。   It is preferable that a binder adheres to the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention in order to improve shape retention and handling properties. The binder is preferably applied as a precursor, and is not particularly limited as long as it is carbonized by firing, and examples thereof include a phenol resin, an epoxy resin, and an acrylic resin. Moreover, in order to improve electroconductivity, in the state of the binder precursor solution which disperse | distributed carbon black etc., it can provide by immersion or a spray. Since it shrinks during carbonization and changes its shape, and the smoothness of the surface tends to be impaired, the composite sheet can be carbonized and a carbon fiber nonwoven fabric that does not shrink any further, then a binder precursor is applied and carbonized again. From the viewpoints of form stability and surface smoothness.

本発明で付与するバインダー前駆体は、生産性の点で炭化収率が30%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましい。   The binder precursor provided in the present invention preferably has a carbonization yield of 30% or more, and more preferably 40% or more in terms of productivity.

また、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極基材として用いる場合は、発電効率向上のため、撥水性物質付与による撥水処理を行うことが好ましい。   Moreover, when using as a gas diffusion electrode base material for polymer electrolyte fuel cells, it is preferable to perform water-repellent treatment by applying a water-repellent substance in order to improve power generation efficiency.

撥水性物質としては、フッ素樹脂を用いることが好ましい。撥水処理は、炭素繊維不織布に対して撥水性物質を30重量%以下、好ましくは20重量%以下、より好ましくは10重量%以下の割合で付着させることによって行うことができる。ここで、フッ素樹脂とは、テトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、パーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(FEP)、フッ化エチレンテトラフルオロエチレン樹脂(ETFE)など、その構造中にフッ素原子を含む撥水性を有する樹脂のことをいう。   As the water repellent substance, it is preferable to use a fluororesin. The water repellent treatment can be performed by adhering the water repellent material to the carbon fiber nonwoven fabric in a proportion of 30% by weight or less, preferably 20% by weight or less, more preferably 10% by weight or less. Here, the fluororesin includes tetrafluoroethylene resin (PTFE), perfluoroalkoxy resin (PFA), fluorinated ethylene propylene resin (FEP), fluorinated ethylene tetrafluoroethylene resin (ETFE), etc. A resin having water repellency containing atoms.

また、炭素繊維不織布表面に微多孔質層を設けることも好ましい態様である。撥水処理を行った炭素繊維不織布には、フッ素樹脂とカーボンブラックに界面活性剤と水などを加えたペーストを、バーコートやダイコート方式により表面に塗布し、乾燥し、焼結することで、撥水性の微多孔質層を設けることが好ましい。このような微多孔質層に含まれるフッ素樹脂は、カーボンブラックに対して1〜80重量%が好ましく、10〜70重量%がより好ましく、20〜60がさらに好ましい。微多孔質層に含まれるフッ素樹脂が1重量%以上であると、カーボンブラックを繋げているフッ素樹脂のバインダー効果が大きくなるためカーボン層の強度が上がり、80重量%以下であると、高い導電性を有するカーボンブラックの割合が多くなるため導電性が向上するという効果を有する。   It is also a preferred aspect to provide a microporous layer on the surface of the carbon fiber nonwoven fabric. For carbon fiber nonwoven fabric that has been subjected to water repellent treatment, a paste obtained by adding a surfactant and water to fluororesin and carbon black is applied to the surface by a bar coat or die coat method, dried, and sintered, It is preferable to provide a water-repellent microporous layer. The fluororesin contained in such a microporous layer is preferably 1 to 80% by weight, more preferably 10 to 70% by weight, and still more preferably 20 to 60% with respect to carbon black. When the fluororesin contained in the microporous layer is 1% by weight or more, the binder effect of the fluororesin connecting the carbon black is increased, so that the strength of the carbon layer is increased. When the fluororesin is 80% by weight or less, high conductivity is obtained. Since the ratio of carbon black having the property increases, the conductivity is improved.

撥水処理のみ行った場合に比べ、このような微多孔質層を炭素繊維不織布に設けることで、固体高分子形燃料電池の発電時に発生する水をガス拡散電極基材内から効果的に排出することができる。   Compared to the case where only water repellent treatment is performed, by providing such a microporous layer on the carbon fiber nonwoven fabric, water generated during the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is effectively discharged from the inside of the gas diffusion electrode substrate. can do.

本発明の炭素繊維不織布を燃料電池用ガス拡散電極基材として用いた場合には、炭素繊維が厚さ方向に配向しているため、空洞部を有するにもかかわらず圧縮回復率に優れる。さらに、空洞部を気体や液体の流路として活用することで、セパレータにガス流路を形成する必要がないコスト的に有利な燃料電池とすることができる。   When the carbon fiber nonwoven fabric of the present invention is used as a gas diffusion electrode substrate for a fuel cell, the carbon fibers are oriented in the thickness direction, so that the compression recovery rate is excellent despite having a hollow portion. Further, by utilizing the hollow portion as a gas or liquid flow path, it is possible to provide a cost-effective fuel cell in which it is not necessary to form a gas flow path in the separator.

実施例中の物性値は以下の方法で測定した。   The physical property values in the examples were measured by the following methods.

1.空洞部の断面積と厚さ方向への配向
炭素繊維不織布、空洞部の断面が表れるようにイオンビームによりカットして試験片を作成した。調整した試験片を幅5mmに渡って走査型電子顕微鏡にて200倍で断面観察し、観察範囲内の空洞部断面のうち最大内接円の直径が最も大きくなる空洞部断面の最大内接円の面積を空洞部の断面積とした。また、当該範囲の観察により厚さ方向に対し10〜90°の角度を向いた繊維が少なくとも1本以上存在していれば、厚さ方向に配向していると判断した。
1. Cross-sectional area of cavity and orientation in thickness direction A test piece was prepared by cutting with a carbon fiber nonwoven fabric and an ion beam so that the cross-section of the cavity appeared. The adjusted specimen is cross-sectionally observed at a magnification of 200 mm with a scanning electron microscope over a width of 5 mm, and the largest inscribed circle of the cavity section where the diameter of the largest inscribed circle is the largest among the cavity sections in the observation range. Was the cross-sectional area of the cavity. Further, when at least one fiber having an angle of 10 to 90 ° with respect to the thickness direction is present by observing the range, it is determined that the fibers are oriented in the thickness direction.

2.空洞部の形成
形成した空洞部の奥行き方向を長辺方向として、炭素繊維不織布を10mm×6mmにカミソリでカットし、空洞部を含む試験片を作成した。この試験片の長辺方向を2mmずつにカットし、5枚の連続した2mm×6mmの観察用試験片を作製した。当該観察用試験片の両面を走査型電子顕微鏡にて200倍で観察し、5枚全ての観察用試験片の両面において同位置に空隙が観察されれば、空洞部が形成されていると判断した。
2. Formation of Cavity Part A test piece including a cavity part was prepared by cutting the carbon fiber nonwoven fabric to 10 mm × 6 mm with a razor with the depth direction of the formed cavity part as the long side direction. The long side direction of this test piece was cut into 2 mm increments, and five continuous 2 mm × 6 mm observation test pieces were produced. If both sides of the observation specimen are observed at 200 times with a scanning electron microscope and a void is observed at the same position on both sides of all five observation specimens, it is determined that a cavity is formed. did.

3.見かけ密度
JIS L1913 6.1(厚さ(A法))に準じて、5cm×5cmの試験片を10枚採取し、全自動圧縮弾性・厚さ測定器((株)大栄科学精機製作所製、型式:CEH−400)を用いて、圧力0.5kPaの加圧下で10秒後における各試験片の厚さを測定した。そして、測定値の平均値を厚さとして求めた後、この厚さと寸法(5cm×5cm)、重量から、少数第3位を四捨五入して見かけ密度を求めた。
3. Apparent density In accordance with JIS L1913 6.1 (thickness (Method A)), 10 test pieces of 5 cm × 5 cm were collected and fully automatic compression elasticity / thickness measuring instrument (manufactured by Daiei Scientific Instruments Co., Ltd.) The thickness of each test piece after 10 seconds was measured under a pressure of 0.5 kPa using a model: CEH-400). And after calculating | requiring the average value of a measured value as thickness, the decimal density was rounded off from this thickness, a dimension (5 cm x 5 cm), and the weight, and the apparent density was calculated | required.

4.気体透過抵抗
撥水処理を行った炭素繊維不織布を円形にカットした試験片(直径50mm)を内径12mm、外径100mmの円盤で挟み、1MPaに加圧した。片側の円盤の中空部に、空気を流量1.0L/分で供給し、もう一方の円盤の中空部は大気開放とした。このときの供給側圧力(開放側との圧力差)を気体透過抵抗とした。
4). Gas permeation resistance A test piece (diameter 50 mm) obtained by cutting a carbon fiber nonwoven fabric subjected to water repellent treatment into a circle was sandwiched between discs having an inner diameter of 12 mm and an outer diameter of 100 mm, and pressurized to 1 MPa. Air was supplied to the hollow part of the disk on one side at a flow rate of 1.0 L / min, and the hollow part of the other disk was opened to the atmosphere. The supply side pressure (pressure difference from the open side) at this time was defined as gas permeation resistance.

5.圧縮回復率
撥水処理を行った炭素繊維不織布の試験片(20mm×20mm)を100mm×100mmの板で挟み、試験片が受ける荷重が0.3MPaになるように加圧し、加圧時の試験片の厚さT1を1μm単位で測定した。次に、荷重を2MPaまで昇圧した後、0.3MPaまで降圧し厚さT2を測定した。同様に、異なる箇所から採取した試験片10枚について厚さの測定を行った。厚さ回復率を次式から求め、試験片10枚の平均値を圧縮回復率とした。
5). Compression recovery rate Water-repellent treated carbon fiber nonwoven fabric test piece (20 mm x 20 mm) is sandwiched between 100 mm x 100 mm plates, and the test piece is pressurized so that the load received is 0.3 MPa. The thickness T1 of the piece was measured in units of 1 μm. Next, after raising the load to 2 MPa, the pressure was lowered to 0.3 MPa, and the thickness T2 was measured. Similarly, the thickness of ten test specimens collected from different locations was measured. The thickness recovery rate was calculated from the following equation, and the average value of 10 test pieces was taken as the compression recovery rate.

厚さ回復率(%)=T2/T1×100
6.発電性能
(1)サーペンタイン流路セパレータでの発電
フッ素系電解質膜“Nafion”212(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。
Thickness recovery rate (%) = T2 / T1 × 100
6). Power generation performance (1) Power generation with a serpentine flow separator Separation of platinum-supported carbon and Nafion on both sides of a fluorine-based electrolyte membrane “Nafion” 212 (manufactured by DuPont) (platinum amount 0.2 mg / cm 2 ) Were joined by hot pressing to prepare a catalyst layer-coated electrolyte membrane (CCM).

このCCMの両面に2枚のガス拡散電極基材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。この時、ガス拡散電極基材は、マイクロポーラス層を有する面が触媒側と接するように配置した。   Two gas diffusion electrode substrates were placed on both sides of the CCM, and hot pressing was performed again to obtain a membrane electrode assembly (MEA). At this time, the gas diffusion electrode substrate was arranged so that the surface having the microporous layer was in contact with the catalyst side.

ガス拡散電極の周囲にガスケット(ガスケットの厚さはMEA厚さの80%)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。 Around the gasket of the gas diffusion electrode (the thickness of the gasket MEA 80% thickness) was set MEA which arranged Electro Chem, Inc. of single-cell (5 cm 2, serpentine flow path) to.

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)で発電し、0.2Vの電圧になった時の電流密度を測定した。   When the cell temperature is 60 ° C., the dew point of hydrogen and air is 60 ° C., the flow rates are 100 cc / min and 250 cc / min, respectively, and the gas outlet is open (no pressurization) to generate electricity and the voltage is 0.2 V The current density was measured.

(2)ガス流路非形成セパレータでの発電
上記と同様の方法で作製したMEAのガス拡散電極の周囲にガスケット(ガスケットの厚さはMEA厚さの80%)を配し、MEAにガスを拡散させるための流路がなく、ガス導入孔と排出孔のみを有する、東海カーボン株式会社製の樹脂含浸黒鉛材で作製した図2の形状のセパレータを用いたシングルセル(5cm、流路非形成)にセットした。
(2) Power generation with a gas channel non-forming separator A gasket (the thickness of the gasket is 80% of the thickness of the MEA) is arranged around the gas diffusion electrode of the MEA produced by the same method as described above, and gas is supplied to the MEA. A single cell (5 cm 2 , non-flow channel) using a separator having the shape of FIG. 2 made of a resin-impregnated graphite material manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., which has no gas flow path and only gas introduction holes and discharge holes. Set).

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)で発電し、0.2Vの電圧になった時の電流密度を測定した。   When the cell temperature is 60 ° C., the dew point of hydrogen and air is 60 ° C., the flow rates are 100 cc / min and 250 cc / min, respectively, and the gas outlet is open (no pressurization) to generate electricity and the voltage is 0.2 The current density was measured.

<製造例1(乾式ウエブ)>
アクリロニトリル99.4モル%とメタクリル酸0.6モル%からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により1デシテックス、12,000フィラメントのポリアクリロニトリル(PAN)系繊維束を得た。得られたPAN系繊維束を240〜280℃の温度の空気中で、延伸比1.05で加熱し、PAN系耐炎糸(密度1.38g/cm)とした。
<Production Example 1 (Dry Web)>
Using a copolymer composed of 99.4 mol% of acrylonitrile and 0.6 mol% of methacrylic acid, a polyacrylonitrile (PAN) fiber bundle of 1 dtex and 12,000 filaments was obtained by a dry and wet spinning method. The obtained PAN-based fiber bundle was heated at a draw ratio of 1.05 in air at a temperature of 240 to 280 ° C. to obtain a PAN-based flame resistant yarn (density 1.38 g / cm 3 ).

次に、PAN系耐炎糸を押し込み式クリンパーにより捲縮糸とした。得られたジグザグ形状の捲縮糸の捲縮数は7.1/25mm、捲縮率は12.7%であった。この耐炎糸を数平均繊維長76mmに切断した後、カード、クロスラッパーを用いて、60g/mの乾式ウエブとした。 Next, the PAN flame resistant yarn was crimped by a push-in crimper. The zigzag crimped yarn obtained had a number of crimps of 7.1 / 25 mm and a crimp rate of 12.7%. The flame resistant yarn was cut into a number average fiber length of 76 mm, and then a dry web of 60 g / m 2 was obtained using a card and a cross wrapper.

<製造例2(乾式ウエブ)>
製造例1の耐炎糸の数平均繊維長を38mmに変更した以外は同様に行い、60g/mの乾式ウエブとした。
<Production Example 2 (Dry Web)>
A dry web of 60 g / m 2 was prepared in the same manner except that the number average fiber length of the flame resistant yarn of Production Example 1 was changed to 38 mm.

<製造例3(織物)>
極限粘度が0.66のPET(ポリエチレンテレフタレート)成分を紡糸および延伸し、40デシテックス48フィラメントの繊維を得た。これをS撚りで2400T/mで撚りをかけ、75℃でスチームセットを行った。同様に、Z撚りで2400T/mで撚りをかけ、75℃でスチームセットを行った糸を作製した。タテ糸に、S撚りの糸とZ撚りの糸を交互に配し、ヨコ糸にS撚りの糸を用い、織組織を平織とし、93×64本/2.54cmの織密度で織物を作製し、目付43g/mの織物を製造した。
<Production Example 3 (woven fabric)>
A PET (polyethylene terephthalate) component having an intrinsic viscosity of 0.66 was spun and drawn to obtain 40 dtex 48 filament fibers. This was twisted by S twisting at 2400 T / m and steam set at 75 ° C. Similarly, a yarn that was twisted at 2400 T / m by Z twisting and steam-set at 75 ° C. was produced. S warp yarn and Z twist yarn are alternately arranged on the warp yarn, the S twist yarn is used for the weft yarn, the weave structure is plain weave, and a fabric is produced with a weave density of 93 × 64 / 2.54 cm. Thus, a fabric with a basis weight of 43 g / m 2 was produced.

<製造例4(織物)>
極限粘度が0.66のPET(ポリエチレンテレフタレート)成分を紡糸および延伸し、56デシテックス48フィラメントの繊維を得た。これをS撚りで2400T/mで撚りをかけ、75℃でスチームセットを行った。同様に、Z撚りで2400T/mで撚りをかけ、75℃でスチームセットを行った糸を作製した。タテ糸に、S撚りの糸とZ撚りの糸を交互に配し、ヨコ糸にS撚りの糸を用い、織組織を平織とし、93×64本/2.54cmの織密度で織物を作製し、目付60g/mの織物を製造した。
<Production Example 4 (woven fabric)>
A PET (polyethylene terephthalate) component having an intrinsic viscosity of 0.66 was spun and drawn to obtain 56 dtex 48 filament fibers. This was twisted by S twisting at 2400 T / m and steam set at 75 ° C. Similarly, a yarn that was twisted at 2400 T / m by Z twisting and steam-set at 75 ° C. was produced. S warp yarn and Z twist yarn are alternately arranged on the warp yarn, the S twist yarn is used for the weft yarn, the weave structure is plain weave, and a fabric is produced with a weave density of 93 × 64 / 2.54 cm. Thus, a fabric with a basis weight of 60 g / m 2 was produced.

<製造例5(モノフィラメント織物)>
繊維直径480μm、2040デシテックスのポリアミド6のモノフィラメントを用い、織組織を平織りとし、20×15本/2.54cmの織密度で織物を作製し、目付65g/mの織物を製造した。
<Production Example 5 (monofilament fabric)>
A monofilament of polyamide 6 having a fiber diameter of 480 μm and 2040 dtex was used, a woven structure was made into a plain weave, and a woven fabric was produced at a woven density of 20 × 15 pieces / 2.54 cm to produce a woven fabric having a basis weight of 65 g / m 2 .

<製造例6(樹脂付与湿式ウエブ)>
アクリロニトリル99.4モル%とメタクリル酸0.6モル%からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により1デシテックス、12,000フィラメントのポリアクリロニトリル(PAN)系繊維束を得た。得られたPAN系繊維束を240〜280℃の温度の空気中で、延伸比1.05で加熱し、PAN系耐炎糸(密度1.38g/cm)とした後、窒素雰囲気中1500℃で焼成(1度目の炭素化)してPAN系炭素繊維(密度1.77g/cm)とした。
<Manufacture example 6 (resin imparting wet web)>
Using a copolymer composed of 99.4 mol% of acrylonitrile and 0.6 mol% of methacrylic acid, a polyacrylonitrile (PAN) fiber bundle of 1 dtex and 12,000 filaments was obtained by a dry and wet spinning method. The obtained PAN fiber bundle was heated at a draw ratio of 1.05 in air at a temperature of 240 to 280 ° C. to obtain a PAN flame resistant yarn (density 1.38 g / cm 3 ), and then 1500 ° C. in a nitrogen atmosphere. And PAN-based carbon fiber (density 1.77 g / cm 3 ).

次に、5mmにカットしたPAN系炭素繊維70重量部と、バインダーとして繊維長5mmのPVA繊維30重量部を均一に混ぜ合わせた後、抄紙して36g/mの湿式ウエブとしたものに、フェノール樹脂と黒鉛をそれぞれ、40g/m、12g/m付与した後、200℃に加熱したプレス機で挟み、フェノール樹脂を硬化させ、樹脂付与湿式ウエブとした。 Next, 70 parts by weight of PAN-based carbon fibers cut to 5 mm and 30 parts by weight of PVA fibers having a fiber length of 5 mm as a binder were mixed together, and then paper-made to obtain a wet web of 36 g / m 2 . phenolic resin and graphite, respectively, 40 g / m 2, was 12 g / m 2 applied was sandwiched in a press heated to 200 ° C., to cure the phenolic resin and the resin applied wet web.

[実施例1]
製造例1の乾式ウエブの上に製造例3の織物を積層して、その上にさらに製造例1の乾式ウエブを重ね、乾式ウエブの両面を交互にニードルパンチすることで、乾式ウエブを構成していた繊維を織物のもう一方の表面まで貫通させ、見かけ密度0.13g/cmの複合不織布を得た。
[Example 1]
The fabric of Production Example 3 is laminated on the dry web of Production Example 1, the dry web of Production Example 1 is further laminated thereon, and the dry web is constructed by alternately needle punching both sides of the dry web. The fibers that had been pierced to the other surface of the woven fabric were obtained to obtain a composite nonwoven fabric with an apparent density of 0.13 g / cm 3 .

得られた複合不織布は、240℃に加熱したプレス機で圧縮し、見かけ密度0.55g/cmとした。 The obtained composite nonwoven fabric was compressed with a press machine heated to 240 ° C. to give an apparent density of 0.55 g / cm 3 .

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することで炭素繊維不織布を得た。   Subsequently, the carbon fiber nonwoven fabric was obtained by baking at 2400 degreeC in argon atmosphere in an electric furnace.

この炭素繊維不織布に、フェノール樹脂と黒鉛をそれぞれ、40g/m、12g/m付与した後、200℃に加熱したプレス機で挟み、フェノール樹脂を硬化させた。 This carbon fiber nonwoven fabric, respectively phenolic resin and graphite, 40 g / m 2, was 12 g / m 2 applied was sandwiched in a press heated to 200 ° C., to cure the phenolic resin.

これを2400℃の電気炉において、アルゴン雰囲気下で再度焼成し、フェノール樹脂の炭化物で補強した炭素繊維不織布を得た。   This was fired again in an electric furnace at 2400 ° C. under an argon atmosphere to obtain a carbon fiber nonwoven fabric reinforced with a phenolic resin carbide.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積3848μmの空洞部が形成されており、厚さ方向に対し45°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。 When the obtained carbon fiber non-woven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope, a cavity with a cross-sectional area of 3848 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing. It was confirmed that there were fibers oriented at an angle of 45 ° to the direction.

また、長さ10mmに渡って空隙が連続しており、空洞部が形成されていることが確認できた。   Moreover, it has confirmed that the space | gap was continuing over 10 mm in length, and the cavity part was formed.

この炭素繊維不織布にPTFE樹脂の水分散液(“ポリフロン”(登録商標)PTFEディスパージョンD−1E(ダイキン工業(株)製)を用いて、炭素繊維不織布に対し、PTFEを5重量%付与し、撥水処理を行った。   PTFE resin aqueous dispersion ("Polyflon" (registered trademark) PTFE dispersion D-1E (manufactured by Daikin Industries, Ltd.)) was used to give 5% by weight of PTFE to the carbon fiber nonwoven fabric. Water repellent treatment was performed.

次に、炭素繊維不織布の片面に、アセチレンブラック“デンカブラック”(登録商標)(電気化学工業(株)製)7.7重量%とPTFE樹脂(PTFE樹脂を60質量部含む水分散液である“ポリフロン”(登録商標)PTFEディスパージョンD−1E(ダイキン工業(株)製)を使用)2.5重量%、界面活性剤“TRITON”(登録商標)X−100(ナカライテスク(株)製)14.0重量%、純水75.8重量%からなる混合物を、スリットダイコーターを用いて塗布した。カーボン塗液を塗工後、120℃で10分、380℃で10分加熱し、炭素繊維不織布上に目付20g/mのマイクロポーラス層を形成した。このようにして、得られたガス拡散電極を用いてMEAを作製し、サーペンタイン流路セパレータを用いて発電性能を評価した。評価結果は表1のとおりであり、気体透過抵抗が低く、圧縮回復率、発電時の電流密度が高いものだった。 Next, an aqueous dispersion containing 7.7% by weight of acetylene black “Denka Black” (registered trademark) (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and PTFE resin (60 parts by mass of PTFE resin) on one side of the carbon fiber nonwoven fabric. "Polyflon" (registered trademark) PTFE dispersion D-1E (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) 2.5% by weight, surfactant "TRITON" (registered trademark) X-100 (manufactured by Nacalai Tesque) ) A mixture consisting of 14.0 wt% and pure water 75.8 wt% was applied using a slit die coater. After the carbon coating solution was applied, it was heated at 120 ° C. for 10 minutes and at 380 ° C. for 10 minutes to form a microporous layer having a basis weight of 20 g / m 2 on the carbon fiber nonwoven fabric. Thus, MEA was produced using the obtained gas diffusion electrode, and power generation performance was evaluated using a serpentine channel separator. The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was low, the compression recovery rate, and the current density during power generation were high.

[実施例2]
製造例4の織物を用いた以外、実施例1と同様にして、フェノール樹脂の炭化物で補強した炭素繊維不織布を得た。
[Example 2]
A carbon fiber nonwoven fabric reinforced with a phenol resin carbide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the woven fabric of Production Example 4 was used.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積3920μmの空洞部が形成されており、厚さ方向に対し48°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。また、長さ10mmに渡って空隙が連続しており、空洞部が形成されていることが確認できた。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。
評価結果は表1のとおりであり、気体透過抵抗が低く、圧縮回復率、発電時の電流密度が高いものだった。
The obtained carbon fiber nonwoven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope. As a result, a cavity with a cross-sectional area of 3920 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing. It was confirmed that there were fibers oriented at an angle of 48 ° to the direction. Moreover, it has confirmed that the space | gap was continuing over 10 mm in length, and the cavity part was formed. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.
The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was low, the compression recovery rate, and the current density during power generation were high.

[実施例3]
製造例2の乾式ウエブの上に、繊維直径480μmのポリアミド6モノフィラメントを1cm間隔に並べ、その上に製造例1の乾式ウエブ1枚を重ねてニードルパンチを行い、見かけ密度0.02g/cmの複合不織布を得た。
[Example 3]
Polyamide 6 monofilaments having a fiber diameter of 480 μm are arranged at 1 cm intervals on the dry web of Production Example 2, and one dry web of Production Example 1 is stacked thereon to perform needle punching, with an apparent density of 0.02 g / cm 3. A composite nonwoven fabric was obtained.

得られた複合シートは、240℃に加熱したプレス機で圧縮し、見かけ密度を0.21g/cmとした。 The obtained composite sheet was compressed with a press machine heated to 240 ° C. to make the apparent density 0.21 g / cm 3 .

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することでPAN系炭素繊維不織布を得た。   Subsequently, the PAN type | system | group carbon fiber nonwoven fabric was obtained by baking at the temperature of 2400 degreeC by argon atmosphere in an electric furnace.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積170191μmの空洞部が形成されており、厚さ方向に対し48°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。
評価結果は表1のとおりであり、気体透過抵抗が低く、圧縮回復率、発電時の電流密度が高いものだった。
When the obtained carbon fiber nonwoven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope, a cavity with a cross-sectional area of 170191 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing, and the thickness It was confirmed that there were fibers oriented at an angle of 48 ° to the direction. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.
The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was low, the compression recovery rate, and the current density during power generation were high.

[実施例4]
製造例1の乾式ウエブをニードルパンチして見かけ密度0.06g/cmの不織布を得た。得られた不織布を深さ100μm、130μm角の窪みが180μmピッチで全面に形成された格子状の金属プレート上に乗せ、240℃に加熱したプレス機で圧縮し、見かけ密度0.31g/cmの不織布とした。
[Example 4]
The dry web of Production Example 1 was needle punched to obtain a nonwoven fabric with an apparent density of 0.06 g / cm 3 . The obtained non-woven fabric was placed on a grid-like metal plate having depressions of 100 μm in depth and 130 μm square formed on the entire surface at a pitch of 180 μm, and compressed by a press machine heated to 240 ° C., and an apparent density of 0.31 g / cm 3. The nonwoven fabric was made.

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することで炭素繊維不織布を得た。この炭素繊維不織布は、金属プレートの格子形状が転写された溝を有するものだった。   Subsequently, the carbon fiber nonwoven fabric was obtained by baking at 2400 degreeC in argon atmosphere in an electric furnace. This carbon fiber non-woven fabric had grooves in which the lattice shape of the metal plate was transferred.

この炭素繊維不織布に、フェノール樹脂と黒鉛をそれぞれ、40g/m、12g/m付与した後、2枚の炭素繊維不織布の溝形成面同士を合わせて200℃に加熱したプレス機で挟み、2枚の炭素繊維不織布を結着させた。 This carbon fiber nonwoven fabric, respectively phenolic resin and graphite, was 40g / m 2, 12g / m 2 applied, sandwiched in a press heated to 200 ° C. The combined grooved surfaces of the two carbon fiber nonwoven fabric, Two carbon fiber nonwoven fabrics were bound.

2400℃の電気炉において、アルゴン雰囲気下で再度焼成を行い、フェノール樹脂の炭化物で補強した炭素繊維不織布を得た。   Firing was performed again in an electric furnace at 2400 ° C. under an argon atmosphere to obtain a carbon fiber nonwoven fabric reinforced with a phenolic resin carbide.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積27300μmの空洞部が形成されていることが確認できた。また、繊維同士が相互に交絡し、厚さ方向に対し32°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。また、長さ10mmに渡って空隙が連続しており、空洞部が形成されていることが確認できた。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。
評価結果は表1のとおりであり、気体透過抵抗が低く、圧縮回復率、発電時の電流密度が高いものだった。
When the obtained carbon fiber non-woven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope, it was confirmed that a cavity having a cross-sectional area of 27300 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing. did it. Further, it was confirmed that the fibers were entangled with each other and there were fibers oriented at an angle of 32 ° with respect to the thickness direction. Moreover, it has confirmed that the space | gap was continuing over 10 mm in length, and the cavity part was formed. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.
The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was low, the compression recovery rate, and the current density during power generation were high.

[実施例5]
製造例1の乾式ウエブの上に、製造例5の織物を積層して、その上に製造例1の乾式ウエブ1枚を重ねてニードルパンチを行い、見かけ密度0.07g/cmの複合不織布を得た。得られた複合シートは、220℃に加熱したプレス機で圧縮し、見かけ密度を0.48g/cmとした。
[Example 5]
A composite nonwoven fabric having an apparent density of 0.07 g / cm 3 is formed by laminating the fabric of Production Example 5 on the dry web of Production Example 1 and then stacking one of the dry webs of Production Example 1 on the dry web. Got. The obtained composite sheet was compressed by a press machine heated to 220 ° C. to make the apparent density 0.48 g / cm 3 .

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することでPAN系炭素繊維不織布を得た。   Subsequently, the PAN type | system | group carbon fiber nonwoven fabric was obtained by baking at the temperature of 2400 degreeC by argon atmosphere in an electric furnace.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積168500μmの空洞部が形成されており、厚さ方向に対し50°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。この炭素繊維不織布を用いて実施例1と同様にガス拡散電極およびMEAを作製し、ガス流路非形成セパレータを用いて、発電性能の評価を行った。
評価結果は表1のとおりであり、気体透過抵抗が低く、圧縮回復率が高く、ガス流路を形成していないセパレータであるにもかかわらず発電が可能だった。
When the obtained carbon fiber non-woven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope, a cavity having a cross-sectional area of 168500 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing, and the thickness It was confirmed that there were fibers oriented at an angle of 50 ° to the direction. Using this carbon fiber nonwoven fabric, a gas diffusion electrode and an MEA were produced in the same manner as in Example 1, and the power generation performance was evaluated using a gas channel non-formed separator.
The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was low, the compression recovery rate was high, and power generation was possible despite the separator having no gas flow path.

[比較例1]
製造例4の織物を積層せずにニードルパンチを実施したこと以外は実施例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の評価結果は表1のとおりであり、断面積350μm〜200000μmの空洞部を有する孔を形成していなかった。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。
[Comparative Example 1]
A carbon fiber nonwoven fabric was obtained in the same manner as in Example 1 except that needle punching was performed without laminating the fabric of Production Example 4. Evaluation results of the resulting carbon fiber nonwoven fabric are shown in Table 1, it did not form a hole having a cavity cross-sectional area 350μm 2 ~200000μm 2. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

評価結果は表1のとおりであり、空洞部を形成した炭素繊維不織布に比べ、気体透過抵抗が高く、発電時の電流密度が劣るものだった。   The evaluation results are as shown in Table 1. The gas permeation resistance was high and the current density at the time of power generation was inferior as compared with the carbon fiber non-woven fabric in which the hollow portion was formed.

[比較例2]
30メッシュのポリアミド6モノフィラメントシート(メッシュシート)に対し30重量%のフェノール樹脂を付与したものの表裏に製造例6の樹脂付与湿式ウエブを配置し、200℃に加熱したプレス機で圧縮し、フェノール樹脂を硬化させた。
[Comparative Example 2]
A 30 wt% polyamide 6 monofilament sheet (mesh sheet) with 30 wt% phenolic resin applied on both sides is placed with the resin-added wet web of Production Example 6 and compressed with a press machine heated to 200 ° C. Was cured.

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することでPAN系湿式炭素繊維不織布を得た。   Subsequently, a PAN-based wet carbon fiber nonwoven fabric was obtained by firing at 2400 ° C. in an electric furnace in an argon atmosphere.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積7800μmの空洞部が形成されていることが確認できたが、直線状の炭素繊維同士が交差して接触しているだけで繊維同士の相互交絡はなく、厚さ方向に対し10°以上の角度を向いた繊維は確認できなかった。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。
評価結果は表1のとおりであり、空洞部間の壁がフェノール樹脂のみで形成されているため、圧縮に弱く圧縮回復率が低く、電気抵抗が大きいため発電時の電流密度が劣るものだった。
The resulting carbon fiber nonwoven fabric, observation of the cross section using a scanning electron microscope was cut by ion beam, confirmed that the cavity sectional area 7800Myuemu 2 at positions fabric is present is formed by firing However, there was no mutual entanglement between the straight carbon fibers just crossing and contacting with each other, and fibers having an angle of 10 ° or more with respect to the thickness direction could not be confirmed. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.
The evaluation results are as shown in Table 1, and the walls between the cavities are made only of phenolic resin, so they are weak against compression, have a low compression recovery rate, and have a high electrical resistance, resulting in poor current density during power generation. .

[比較例3]
製造例1の乾式ウエブの上に、繊維直径710μmのポリアミド6モノフィラメントを1cm間隔に並べ、その上に製造例1の乾式ウエブを1枚重ねてニードルパンチを行い、見かけ密度0.03g/cmの複合不織布を得た。
[Comparative Example 3]
Polyamide 6 monofilaments having a fiber diameter of 710 μm are arranged at 1 cm intervals on the dry web of Production Example 1, and one dry web of Production Example 1 is stacked thereon to perform needle punching, with an apparent density of 0.03 g / cm 3. A composite nonwoven fabric was obtained.

得られた複合シートは、240℃に加熱したプレス機で圧縮し、見かけ密度を0.17g/cmとした。 The obtained composite sheet was compressed with a press machine heated to 240 ° C. to make the apparent density 0.17 g / cm 3 .

次いで電気炉にてアルゴン雰囲気下で2400℃の温度で焼成することでPAN系炭素繊維不織布を得た。   Subsequently, the PAN type | system | group carbon fiber nonwoven fabric was obtained by baking at the temperature of 2400 degreeC by argon atmosphere in an electric furnace.

得られた炭素繊維不織布を、イオンビームでカットして走査型電子顕微鏡を用いて断面を観察したところ、焼成により織物が存在した箇所に断面積373194μmの空洞部が形成されており、厚さ方向に対し56°の角度を向いた繊維が存在していることが確認できた。この炭素繊維不織布を用いて、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。 When the obtained carbon fiber non-woven fabric was cut with an ion beam and the cross section was observed using a scanning electron microscope, a cavity having a cross-sectional area of 373194 μm 2 was formed at the location where the woven fabric was present by firing. It was confirmed that there were fibers oriented at an angle of 56 ° with respect to the direction. Using this carbon fiber nonwoven fabric, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

評価結果は表1のとおりであり、空洞部が大きく潰れやすいため圧縮回復率が低く、電気抵抗が大きいため、発電時の電流密度も劣るものだった。   The evaluation results are as shown in Table 1. Since the cavity portion was large and easily crushed, the compression recovery rate was low, and the electric resistance was large. Therefore, the current density during power generation was inferior.

[比較例4]
比較例1のMEAを用いて、実施例5と同様に発電評価を行ったが、面内へのガスの拡散性が低いため、ガス流路を形成していないセパレータとの組み合わせでは発電することができなかった。
[Comparative Example 4]
Using the MEA of Comparative Example 1, power generation evaluation was performed in the same manner as in Example 5. However, since the gas diffusivity in the surface is low, power is generated in combination with a separator that does not form a gas flow path. I could not.

1 炭素繊維不織布の厚さ方向に配向した炭素繊維の例
3 ガス導入孔
4 ガス排出孔
1 Example of carbon fiber oriented in the thickness direction of carbon fiber nonwoven fabric 3 Gas introduction hole 4 Gas discharge hole

Claims (6)

繊維長が30〜100mmの炭素繊維から形成されてなる、炭素繊維同士が交絡し、かつ厚さ方向に配向した炭素繊維を含むとともに、表面と略並行に形成された断面積350μm〜200000μmの空洞部を有する炭素繊維不織布。 Fiber length is formed from carbon fiber 30 to 100 mm, entangled carbon fibers, and with containing carbon fibers oriented in the thickness direction, the cross-sectional area formed on the surface almost parallel 350μm 2 ~200000μm 2 A carbon fiber nonwoven fabric having a hollow portion. 前記空洞部を複数含むとともに、前記空洞部が相互に連結して網目状に配置されている、請求項1に記載の炭素繊維不織布。 The carbon fiber nonwoven fabric according to claim 1, wherein the carbon fiber nonwoven fabric includes a plurality of the hollow portions, and the hollow portions are connected to each other and arranged in a mesh shape. 前記厚さ方向に配向した炭素繊維は、面方向に対し20〜80°の角度を向いている、請求項1または請求項2に記載の炭素繊維不織布。 The carbon fiber nonwoven fabric according to claim 1 or 2, wherein the carbon fibers oriented in the thickness direction are oriented at an angle of 20 to 80 ° with respect to the plane direction. 0.20〜1.00g/cmの見かけ密度を有する、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の炭素繊維不織布。 0.20~1.00g / cm has an apparent density of 3, claim 1 carbon fiber nonwoven fabric according to any one of claims 3. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載の炭素繊維不織布を基材に用いてなる固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極。A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the carbon fiber nonwoven fabric according to any one of claims 1 to 4 is used as a base material. 請求項5に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極とガス流路が形成されていないセパレータとを有する固体高分子形燃料電池。A polymer electrolyte fuel cell comprising the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5 and a separator in which no gas flow path is formed.
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