JP7394923B2 - Carbon fiber sheet, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing carbon fiber sheet - Google Patents

Carbon fiber sheet, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing carbon fiber sheet Download PDF

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Description

この発明は、炭素繊維シート、ガス拡散電極、膜-電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び炭素繊維シートの製造方法に関する。 The present invention relates to carbon fiber sheets, gas diffusion electrodes, membrane-electrode assemblies, polymer electrolyte fuel cells, and methods for producing carbon fiber sheets.

従来から炭素繊維シートはその導電性と多孔性を利用して、燃料電池用のガス拡散電極用基材として、また、電気二重層キャパシタの電極として、或いは、リチウムイオン二次電池の電極としての使用が検討されている。 Conventionally, carbon fiber sheets have been used as base materials for gas diffusion electrodes for fuel cells, as electrodes for electric double layer capacitors, and as electrodes for lithium ion secondary batteries by utilizing their conductivity and porosity. Its use is being considered.

このような炭素繊維シートとして、炭素繊維と抄造用バインダとを混合した繊維ウエブを抄造し、この繊維ウエブにフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸し、硬化させた後に、1000℃以上の温度で焼成することにより製造した、炭素繊維シートが知られている。炭素繊維シートの量産性を考慮すると、炭素繊維シートはロール状に巻くことのできる柔軟性を有していることが望まれるが、前記炭素繊維シートは導電性に優れるものの、ロール状に巻くことができず、柔軟性が不充分で取り扱い性が悪いものであった。 As such a carbon fiber sheet, a fiber web is made by mixing carbon fibers and a binder for papermaking, and this fiber web is impregnated with a thermosetting resin such as a phenol resin, and after curing, the fiber web is heated at a temperature of 1000°C or more. Carbon fiber sheets manufactured by firing are known. Considering the mass production of carbon fiber sheets, it is desirable that carbon fiber sheets have the flexibility to be rolled into a roll. It was not possible to do so, had insufficient flexibility, and was difficult to handle.

また、本願出願人は、「ガラス繊維にアクリル樹脂及び/又は酢酸ビニル樹脂を含むバインダを付着せしめたガラス不織布からなるガス拡散電極用基材に、カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン樹脂又はポリフッ化ビニリデン樹脂とを含む導電性ペーストを被着焼成したガス拡散電極」(特許文献1)を提案しているが、ガラス繊維は剛性が高く、また、導電性ペーストが被着焼成していることによって、更に剛性が高くなっているため、柔軟性が不充分で取り扱い性の悪いものであった。 In addition, the applicant proposed that ``a base material for a gas diffusion electrode made of a glass nonwoven fabric made of glass fibers with a binder containing an acrylic resin and/or a vinyl acetate resin attached, carbon black and a polytetrafluoroethylene resin or a polyfluoride resin. proposed a gas diffusion electrode in which a conductive paste containing vinylidene resin is deposited and fired (Patent Document 1), but glass fiber has high rigidity, and the conductive paste is deposited and fired. Furthermore, since the rigidity was increased, the flexibility was insufficient and the handleability was poor.

このような柔軟性の問題点を解決できる炭素繊維シートとして、本願出願人は、「第1導電性材料と第1導電性材料間を繋ぐ第2導電性材料とを有する繊維状物を含む導電性多孔体であり、前記導電性多孔体は比表面積が100m/g以上であり、しかも曲げ強度が10MPa以上、かつ曲げたわみ量が1mm以上であることを特徴とする、導電性多孔体。」(特許文献2)を提案した。この導電性多孔体はある程度の柔軟性を有するものであったが、柔軟性が不充分で取り扱い性の悪いものであった。 As a carbon fiber sheet that can solve such flexibility problems, the applicant of the present application has developed a carbon fiber sheet that includes a fibrous material having a first conductive material and a second conductive material connecting the first conductive material. 1. A conductive porous body, characterized in that the conductive porous body has a specific surface area of 100 m 2 /g or more, a bending strength of 10 MPa or more, and a bending deflection of 1 mm or more. ” (Patent Document 2). Although this conductive porous material had a certain degree of flexibility, it had insufficient flexibility and was difficult to handle.

特開2008-204945号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-204945

特開2017-59309号公報JP 2017-59309 Publication

本発明はこのような状況下でなされたものであり、柔軟性に優れ、取扱い性の優れる炭素繊維シート、ガス拡散電極、膜-電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び炭素繊維シートの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made under these circumstances, and provides carbon fiber sheets with excellent flexibility and ease of handling, gas diffusion electrodes, membrane-electrode assemblies, polymer electrolyte fuel cells, and carbon fiber sheets. The purpose is to provide a manufacturing method.

本発明の炭素繊維シートは、炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する炭素繊維シートであり、前記粒子又は粒子凝集体として、炭素繊維の平均繊維径の1.5倍以上の直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含む。 The carbon fiber sheet of the present invention is a carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates exist between carbon fibers, and the particles or particle aggregates have a diameter that is 1.5 times or more the average fiber diameter of the carbon fibers. Large particles or large particle aggregates are included between the carbon fibers in the thickness direction.

本発明の炭素繊維シートは、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在している、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有する、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在している、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない、及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する、のが好ましい。 The carbon fiber sheet of the present invention is characterized in that large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction, the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape, or large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction. Particle aggregates exist in point contact with carbon fibers, no film is formed between large particles or large particle aggregates and carbon fibers, and/or large particles or large particle aggregates exist. Preferably, the aggregate is electrically conductive.

また、本発明の炭素繊維シートは、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する前記炭素繊維シートを、ガス拡散電極用基材として好適に用いることができる。 Further, in the carbon fiber sheet of the present invention, the carbon fiber sheet in which large particles or large particle aggregates have conductivity can be suitably used as a base material for a gas diffusion electrode.

更に、前記炭素繊維シートに、触媒が担持されているガス拡散電極、このガス拡散電極を備えている膜-電極接合体、このガス拡散電極を備えている固体高分子形燃料電池である。 The present invention further includes a gas diffusion electrode in which a catalyst is supported on the carbon fiber sheet, a membrane-electrode assembly equipped with this gas diffusion electrode, and a polymer electrolyte fuel cell equipped with this gas diffusion electrode.

本発明の炭素繊維シートの製造方法は、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階、前記前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートとする段階、を含む。 The method for producing a carbon fiber sheet of the present invention includes the steps of spinning precursor carbon fibers using a spinning solution containing a carbonizable resin, supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers, and forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates exist between the precursor carbon fibers, carbonizing the precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet, and forming an average of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction; forming a carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the fiber diameter.

なお、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階を、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を前駆炭素繊維へ噴霧して実施する、特に、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を、電荷を有する液滴に断片化して、前駆炭素繊維へ噴霧して実施するのが好ましい。 Note that the step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers is carried out by spraying a dispersion containing particles or particle aggregates onto the precursor carbon fibers. , is preferably carried out by fragmenting into electrically charged droplets and spraying them onto the precursor carbon fibers.

また、前駆炭素繊維を紡糸する段階を、静電紡糸法により実施するのが好ましく、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有するのが好ましい。 Further, it is preferable that the step of spinning the precursor carbon fiber is carried out by an electrostatic spinning method, and it is preferable that the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity.

本発明は、厚さ方向における炭素繊維間に炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維同士の接点が少ないため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えられる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が家における柱のような作用をするため、厚さ方向における圧力によっても破損しにくい、という効果も奏する。 In the present invention, there are few contact points between carbon fibers due to the presence of large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction. Due to the presence of large particles or large particle aggregates, the carbon fibers can be curved along the large particles or large particle aggregates, which is considered to have excellent flexibility and ease of handling. . Furthermore, since the large particles or large particle aggregates act like pillars in a house, they also have the effect of being less likely to be damaged by pressure in the thickness direction.

炭素繊維シートの厚さ方向における内部に、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していると、柔軟性により優れている。 If large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction, the flexibility will be better.

大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有すると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。 When the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape, the contact area between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers is small, and the degree of freedom of the carbon fibers is not so restricted, making the carbon fiber sheet flexible. superior in nature.

大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在していると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。 When large particles or large particle aggregates exist in point contact with carbon fibers, the contact area between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers is small, and the degree of freedom of the carbon fibers is not very restricted. Carbon fiber sheets are more flexible because they are not

大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていないと、炭素繊維の自由度があまり制限されていないため、炭素繊維シートは柔軟性により優れている。また、炭素繊維シートの空隙を有効に利用することができる。例えば、ガス拡散性や透水性に優れている。 If a film is not formed between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers, the degree of freedom of the carbon fibers is not so restricted and the carbon fiber sheet has better flexibility. Moreover, the voids in the carbon fiber sheet can be effectively utilized. For example, it has excellent gas diffusivity and water permeability.

大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有すると、炭素繊維シートは導電性に優れているため、導電性を必要とする用途に好適に使用できる。 When the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity, the carbon fiber sheet has excellent electrical conductivity and can be suitably used for applications requiring electrical conductivity.

大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する炭素繊維シートは導電性に優れているため、ガス拡散電極用基材として好適である。 A carbon fiber sheet in which large particles or aggregates of large particles have electrical conductivity has excellent electrical conductivity and is therefore suitable as a base material for a gas diffusion electrode.

ガス拡散電極は、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートに、触媒が担持されているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できる。 Gas diffusion electrodes have large particles or aggregates of large particles that are electrically conductive, and a catalyst is supported on a carbon fiber sheet with excellent electrical conductivity, so they have low electrical resistance and are solid high-temperature electrodes that can exhibit sufficient power generation performance. Molecular fuel cells can be manufactured.

膜-電極接合体は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できる。 Since the membrane-electrode assembly includes the gas diffusion electrode, it is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell that has low electrical resistance and can exhibit sufficient power generation performance.

固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる。 Since the polymer electrolyte fuel cell is equipped with the gas diffusion electrode, it has low electrical resistance and can exhibit sufficient power generation performance.

本発明の炭素繊維シートの製造方法は、粒子又は粒子凝集体を前駆炭素繊維に対して供給しているため、大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含む炭素繊維シートを製造することができる。つまり、柔軟性に優れ、取り扱い性に優れる炭素繊維シートを製造することができる。 Since the carbon fiber sheet manufacturing method of the present invention supplies particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers, the carbon fiber sheet contains large particles or large particle aggregates between carbon fibers in the thickness direction. can be manufactured. In other words, a carbon fiber sheet with excellent flexibility and ease of handling can be manufactured.

なお、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を前駆炭素繊維へ噴霧すると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない炭素繊維シートを製造しやすい。 Note that when a dispersion containing particles or particle aggregates is sprayed onto the precursor carbon fibers, it is easy to produce a carbon fiber sheet in which no film is formed between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers.

また、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を、電荷を有する液滴に断片化して前駆炭素繊維へ噴霧すると、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状を有し、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在し、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない炭素繊維シートを製造しやすい。 Furthermore, when a dispersion containing particles or particle aggregates is fragmented into charged droplets and sprayed onto the precursor carbon fiber, the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape, and the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape. It is easy to produce a carbon fiber sheet in which the aggregates exist in point contact with the carbon fibers and a film is not formed between the large particles or the large particle aggregates and the carbon fibers.

更に、静電紡糸法により前駆炭素繊維を紡糸すると、細く、繊維径が揃っており、しかも連続した前駆炭素繊維を紡糸できる。したがって、導電性に優れ、しかも表面積が広く、炭素繊維表面を有効に利用できる炭素繊維シートを製造できる。 Furthermore, when the precursor carbon fiber is spun using an electrostatic spinning method, it is possible to spin the precursor carbon fiber which is thin, has a uniform fiber diameter, and is continuous. Therefore, it is possible to produce a carbon fiber sheet that has excellent conductivity, has a large surface area, and can effectively utilize the carbon fiber surface.

更に、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有すると、導電性の優れる炭素繊維シートを製造できる。 Furthermore, if the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity, a carbon fiber sheet with excellent electrical conductivity can be produced.

実施例1における炭素連続繊維不織布(炭素繊維シート)の厚さ方向断面における電子顕微鏡写真(2500倍)Electron micrograph (2500x) of a cross section in the thickness direction of the carbon continuous fiber nonwoven fabric (carbon fiber sheet) in Example 1 実施例1における炭素連続繊維不織布(炭素繊維シート)の炭素粒子凝集体の拡大電子顕微鏡写真(20000倍)Enlarged electron micrograph (20,000x) of carbon particle aggregates of carbon continuous fiber nonwoven fabric (carbon fiber sheet) in Example 1 実施例1における炭素連続繊維不織布(炭素繊維シート)の表面における電子顕微鏡写真(5000倍)Electron micrograph (5000x) of the surface of the carbon continuous fiber nonwoven fabric (carbon fiber sheet) in Example 1 比較例3におけるケッチェンブラックを付与した炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面における電子顕微鏡写真(2500倍)Electron micrograph (2500x) of a cross section in the thickness direction of the carbon continuous fiber nonwoven fabric to which Ketjen black was applied in Comparative Example 3 比較例3におけるケッチェンブラックを付与した炭素連続繊維不織布の炭素粒子凝集体の拡大電子顕微鏡写真(20000倍)Enlarged electron micrograph (20,000x) of carbon particle aggregates of carbon continuous fiber nonwoven fabric to which Ketjen black was applied in Comparative Example 3 比較例3におけるケッチェンブラックを付与した炭素連続繊維不織布の表面における電子顕微鏡写真(5000倍)Electron micrograph (5000x) of the surface of the carbon continuous fiber nonwoven fabric coated with Ketjenblack in Comparative Example 3

本発明の炭素繊維シートは、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維同士の接点が少なく、炭素繊維の自由度が高いため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができ、炭素繊維シートを曲げた際の変形に追従できる余裕があるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えられる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が家における柱のような作用をするため、厚さ方向における圧力によっても破損しにくい、という効果も奏する。なお、「厚さ方向」とは、両表面に直交する直線と平行な方向を意味し、「両表面」とは、炭素繊維シートの中で、最も面積の広い面と、その面に対向する面を意味する。 In the carbon fiber sheet of the present invention, large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers are present between the carbon fibers in the thickness direction, so that contact points between the carbon fibers are prevented. Due to the high degree of freedom of the carbon fibers and the presence of large particles or large particle aggregates, the carbon fibers can be curved along the large particles or large particle aggregates, and the carbon It is considered that the fiber sheet has excellent flexibility and is easy to handle because it has enough room to follow the deformation when the fiber sheet is bent. Furthermore, since the large particles or large particle aggregates act like pillars in a house, they also have the effect of being less likely to be damaged by pressure in the thickness direction. In addition, "thickness direction" means a direction parallel to a straight line perpendicular to both surfaces, and "both surfaces" refers to the widest surface of the carbon fiber sheet and the direction opposite to that surface. means face.

本発明の炭素繊維は、例えば、PAN系炭素繊維であることができる。また、炭素繊維は導電性材料を含んでいることができる。このように導電性材料を含んでいると、より導電性、機械的強度が優れている。このような導電性材料は、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェン、気相成長カーボンファイバー、カーボンブラック、金属(例えば、金、白金、チタン、ニッケル、アルミ、銀、亜鉛、鉄、銅、マンガン、コバルト、ステンレスなど)、前記金属の金属酸化物の群の中から選ばれる1種類、又は2種類以上から構成することができる。これらの中でも、カーボンナノチューブは導電性に優れ、しかも炭素繊維中において長さ方向に配向しやすく、導電性、機械的強度を高めることができるため好適である。 The carbon fiber of the present invention can be, for example, a PAN-based carbon fiber. The carbon fibers can also include electrically conductive materials. When the conductive material is contained in this way, the conductivity and mechanical strength are better. Such conductive materials include, for example, fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanohorns, graphite, graphene, vapor grown carbon fibers, carbon black, metals (e.g. gold, platinum, titanium, nickel, aluminum, silver, zinc, iron). , copper, manganese, cobalt, stainless steel, etc.), and one or more types selected from the group of metal oxides of the above metals. Among these, carbon nanotubes are preferred because they have excellent electrical conductivity, are easily oriented in the length direction in carbon fibers, and can enhance electrical conductivity and mechanical strength.

本発明の炭素繊維は繊維内部に空隙のない状態にあると、機械的強度及び導電性に優れているため好適である。この「繊維内部に空隙がない」とは、炭素繊維シートの厚さ方向における切断面において、輪郭が連続しており、横断面形状が明確な炭素繊維の横断面全体が1~3本納まる視野での炭素繊維の観察を10箇所で実施し、空隙が観察されない炭素繊維の本数が70%以上であることを意味する。なお、炭素繊維が前述のような導電性材料を含んでおり、炭素繊維シートを厚さ方向に切断した時に、導電性材料が脱落して形成されたことが明らかな空隙は、上記空隙に含まない。また、導電性材料自体が多孔で空隙を含んでいたとしても、導電性材料は不連続で、炭素繊維の機械的強度等へ与える影響が小さいため、炭素繊維が空隙を含む導電性材料を含んでいても、繊維内部に空隙がない、とみなす。 It is preferable that the carbon fiber of the present invention has no voids inside the fiber because it has excellent mechanical strength and electrical conductivity. This "no voids inside the fibers" means that the cut plane in the thickness direction of the carbon fiber sheet has a continuous outline and a field of view that accommodates 1 to 3 carbon fibers with a clear cross-sectional shape. This means that the carbon fibers were observed at 10 locations and the number of carbon fibers with no voids observed was 70% or more. Note that the carbon fibers contain the above-mentioned conductive material, and when the carbon fiber sheet is cut in the thickness direction, voids that are clearly formed due to the conductive material falling off are not included in the above-mentioned voids. do not have. Furthermore, even if the conductive material itself is porous and contains voids, the conductive material is discontinuous and has little effect on the mechanical strength of carbon fibers. However, it is assumed that there are no voids inside the fiber.

本発明の炭素繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、炭素繊維自体の機械的強度が優れるように、また、炭素繊維同士の接触箇所がある程度あり、炭素繊維シートの機械的強度、導電性に優れているように、10nm~20μmであるのが好ましく、50nm~10μmであるのがより好ましく、100nm~5μmであるのが更に好ましい。 The average fiber diameter of the carbon fibers of the present invention is not particularly limited, but in order to ensure that the carbon fibers themselves have excellent mechanical strength, there are some contact points between the carbon fibers, and the mechanical strength of the carbon fiber sheet is In order to have excellent conductivity, the thickness is preferably 10 nm to 20 μm, more preferably 50 nm to 10 μm, and even more preferably 100 nm to 5 μm.

本発明における「平均繊維径」は、炭素繊維の40点における繊維径の算術平均値を意味し、「繊維径」は、炭素繊維を顕微鏡写真で観察した際の長さ方向に直交する幅を意味する。 The "average fiber diameter" in the present invention means the arithmetic average value of the fiber diameters at 40 points of carbon fiber, and the "fiber diameter" refers to the width perpendicular to the length direction when observing the carbon fiber in a micrograph. means.

なお、炭素繊維は導電性に優れているように、連続繊維であるのが好ましい。なお、本発明の炭素繊維シートをガス拡散電極用基材として用いる場合には、炭素繊維の繊維端部が実質的になく、固体高分子膜を損傷しないという効果も奏する。このような連続繊維である炭素繊維は、例えば、炭化可能な有機材料を含む紡糸液を用いて、連続した前駆炭素繊維を紡糸(例えば、静電紡糸法、スパンボンド法など)した後に、前記炭化可能な有機材料(前駆炭素繊維)を炭化して製造することができる。なお、「連続繊維」とは、電子顕微鏡を用いる炭素繊維シートの写真撮影を、撮影画像の一辺が炭素繊維の平均繊維径の60倍程度の長さとなる倍率で行なった場合に、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。つまり、電子顕微鏡写真20枚における炭素繊維の端部の総数を撮影枚数(20枚)で除した、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。なお、その写真撮影は、炭素繊維シートの切断部を含まない表面の中央部における、連続的に異なる箇所において行なう。例えば、平均繊維径が1μmの炭素繊維が連続繊維であるかどうかを確認する場合、電子顕微鏡を用いる写真撮影を、炭素繊維シートの切断部を含まない表面の中央部における、連続的に異なる箇所において、撮影画像の一辺が60μm程度となる倍率(2500倍)で20枚(4行×5列)行ない、電子顕微鏡写真1枚あたりの炭素繊維の端部数を算出し、0.3以下であれば、連続繊維と考えることができる。 Note that the carbon fibers are preferably continuous fibers so that they have excellent conductivity. In addition, when the carbon fiber sheet of the present invention is used as a base material for a gas diffusion electrode, there is also the effect that there are substantially no fiber ends of the carbon fibers and the solid polymer membrane is not damaged. Carbon fibers, which are such continuous fibers, can be produced by spinning continuous precursor carbon fibers (for example, by electrospinning method, spunbond method, etc.) using a spinning solution containing a carbonizable organic material, and then spinning the continuous precursor carbon fibers using a spinning solution containing a carbonizable organic material. It can be produced by carbonizing a carbonizable organic material (precursor carbon fiber). In addition, "continuous fiber" refers to an electron micrograph when a carbon fiber sheet is photographed using an electron microscope at a magnification such that one side of the photographed image is approximately 60 times the average fiber diameter of the carbon fibers. This means that the number of ends of carbon fiber per sheet is 0.3 or less. In other words, it means that the number of carbon fiber ends per electron micrograph is 0.3 or less, which is calculated by dividing the total number of carbon fiber ends in 20 electron micrographs by the number of images taken (20). Note that the photographs are taken at successively different locations in the center of the surface of the carbon fiber sheet that does not include the cut portion. For example, when confirming whether carbon fibers with an average fiber diameter of 1 μm are continuous fibers, photographs using an electron microscope are taken at continuously different points in the center of the surface of the carbon fiber sheet, not including the cut portion. , take 20 images (4 rows x 5 columns) at a magnification (2500 times) where one side of the image is about 60 μm, calculate the number of carbon fiber ends per electron micrograph, and calculate the number of carbon fiber edges per electron micrograph. For example, it can be thought of as a continuous fiber.

本発明の炭素繊維シートは1種類の炭素繊維から構成されている必要はなく、2種類以上の炭素繊維から構成することができる。例えば、導電性材料の有無、導電性材料の種類、炭素繊維内部の空隙の有無、平均繊維径、繊維長などから選ばれる少なくとも1点で相違する2種類以上の炭素繊維から構成することができる。 The carbon fiber sheet of the present invention does not need to be composed of one type of carbon fiber, but can be composed of two or more types of carbon fiber. For example, it can be composed of two or more types of carbon fibers that differ in at least one point selected from the presence or absence of a conductive material, the type of conductive material, the presence or absence of voids inside the carbon fiber, average fiber diameter, fiber length, etc. .

本発明の炭素繊維シートを構成する炭素繊維同士は機械的強度が優れているように、また、導電性に優れているように、接合しているのが好ましい。なお、炭素繊維同士の接合は炭素繊維同士の密着性に優れ、機械的強度、導電性に優れているように、有機材料の炭化物によって接合しているのが好ましい。このような炭素繊維シートは、例えば、炭化可能な有機材料を含む有機繊維を含む繊維シートを炭化させることによって得ることができる。このような炭素繊維同士が接合した状態は、電子顕微鏡写真で確認することができる。例えば、図2は炭素繊維シートの炭素粒子凝集体の拡大電子顕微鏡写真であるが、炭素繊維同士が接合していることを確認できる。 The carbon fibers constituting the carbon fiber sheet of the present invention are preferably bonded together so that they have excellent mechanical strength and conductivity. Note that the carbon fibers are preferably bonded to each other using a carbide of an organic material so that the carbon fibers have excellent adhesion, mechanical strength, and electrical conductivity. Such a carbon fiber sheet can be obtained, for example, by carbonizing a fiber sheet containing organic fibers containing a carbonizable organic material. The state in which carbon fibers are bonded to each other can be confirmed by an electron micrograph. For example, FIG. 2 is an enlarged electron micrograph of a carbon particle aggregate of a carbon fiber sheet, and it can be confirmed that the carbon fibers are bonded to each other.

本発明の炭素繊維シートは、上述のような炭素繊維に加えて、粒子又は粒子凝集体を有しており、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含み、炭素繊維同士の接合が妨げられており、炭素繊維同士の接点が少ないため、また、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることによって、炭素繊維が大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲していることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れていると考えている。つまり、炭素繊維同士の接点が少なく、炭素繊維の自由度が比較的高く、また、炭素繊維が湾曲していると、炭素繊維シートを曲げた際の変形に追従できる余裕があるため、本発明の炭素繊維は柔軟性に優れていると考えられる。 The carbon fiber sheet of the present invention has particles or particle aggregates in addition to the carbon fibers as described above, and includes large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers. The presence of large particles or agglomerates of large particles may cause carbon fibers to Since it can be curved along large particles or large particle aggregates, it is believed that it has excellent flexibility and is easy to handle. In other words, there are few points of contact between the carbon fibers, the degree of freedom of the carbon fibers is relatively high, and if the carbon fibers are curved, there is room to follow the deformation when the carbon fiber sheet is bent. Carbon fiber is considered to have excellent flexibility.

このように、本発明の炭素繊維シートを構成する大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有するのであれば、炭素繊維同士の接合が妨げられ、柔軟性に優れる炭素繊維シートであるが、確実に炭素繊維同士の接合を妨げることができるように、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径の1.5倍以上であるのが好ましく、2.0倍以上であるのがより好ましく、2.5倍以上であるのが更に好ましい。一方で、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径が大き過ぎると、炭素繊維同士の接合がほとんどなくなり、炭素繊維シートの機械的強度、導電性等が著しく悪くなる傾向があるため、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径の60倍以下であるのが好ましく、50倍以下であるのがより好ましく、40倍以下であるのが更に好ましい。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径は炭素繊維の平均繊維径よりも大きければ良く、特に限定するものではないが、0.1μm~1000μmであるのが好ましく、0.5μm~100μmであるのがより好ましく、1μm~30μmであるのが更に好ましく、1μm~10μmであるのが更に好ましい。 As described above, if the large particles or large particle aggregates constituting the carbon fiber sheet of the present invention have a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers, bonding between the carbon fibers is hindered, resulting in excellent flexibility. In the carbon fiber sheet, the diameter of the large particles or large particle aggregates is preferably 1.5 times or more the average fiber diameter of the carbon fibers so that bonding between the carbon fibers can be reliably prevented. It is more preferably 2.0 times or more, and even more preferably 2.5 times or more. On the other hand, if the diameter of large particles or large particle aggregates is too large, there will be almost no bonding between carbon fibers, and the mechanical strength, electrical conductivity, etc. of the carbon fiber sheet will tend to deteriorate significantly. The diameter of the particle aggregate is preferably 60 times or less, more preferably 50 times or less, and even more preferably 40 times or less than the average fiber diameter of the carbon fibers. Note that the diameter of the large particles or large particle aggregates may be larger than the average fiber diameter of the carbon fibers, and is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 1000 μm, and preferably 0.5 μm to 100 μm. It is more preferably 1 μm to 30 μm, even more preferably 1 μm to 10 μm.

この大型粒子又は大型粒子凝集体の「直径」は、炭素繊維シートの厚さ方向断面における電子顕微鏡写真を撮影し、電子顕微鏡写真に写っている50個の大型粒子又は大型粒子凝集体の直径の算術平均値をいう。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体の形状が写真上、非円形である場合には、写真上における、大型粒子又は大型粒子凝集体の面積と同じ面積を有する円の直径を、大型粒子又は大型粒子凝集体の直径とみなす。 The "diameter" of these large particles or large particle aggregates is determined by taking an electron micrograph of a cross section in the thickness direction of a carbon fiber sheet, and calculating the diameter of 50 large particles or large particle aggregates shown in the electron micrograph. Refers to the arithmetic mean value. In addition, if the shape of the large particle or large particle aggregate is non-circular in the photograph, the diameter of the circle having the same area as the area of the large particle or large particle aggregate on the photograph is determined as the diameter of the large particle or large particle aggregate. It is considered as the diameter of the particle aggregate.

本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体を構成する材料は導電性であっても、非導電性であっても良いが、炭素繊維の導電性を利用する場合には、導電性の大型粒子又は大型粒子凝集体であるのが好ましい。前者の導電性材料は電気抵抗率が10Ω・cm以下の材料を意味し、例えば、カーボン(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、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、フラーレン、カーボンナノホーン、グラファイト、グラフェンなど)、金属(銀、アルミニウム、ニッケル、金、パラジウム、プラチナ、カドミウム、コバルト、銅、鉄、亜鉛など)、導電性金属酸化物(酸化すずドープ酸化インジウム、酸化すず、酸化亜鉛など)を挙げることができ、カーボンは耐薬品性、導電性などの点から好適であり、特に、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用するのが好ましい。 The material constituting the large particles or large particle aggregates of the present invention may be conductive or non-conductive, but when utilizing the conductivity of carbon fibers, conductive large particles or Large particle aggregates are preferred. The former conductive material means a material with an electrical resistivity of 10 3 Ω·cm or less, such as carbon (e.g., Ketjen black, acetylene black, carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber, fullerene, carbon nanohorn, graphite, graphene, etc.), metals (silver, aluminum, nickel, gold, palladium, platinum, cadmium, cobalt, copper, iron, zinc, etc.), conductive metal oxides (tin oxide doped indium oxide, tin oxide, zinc oxide, etc.) ) Carbon is suitable from the viewpoint of chemical resistance, electrical conductivity, etc., and it is particularly preferable to use electrically conductive carbon such as Ketjen black or acetylene black.

他方、後者の非導電性材料は電気抵抗率が10Ω・cmを超える材料を意味し、例えば、非導電性金属酸化物(例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、二酸化マンガン、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化亜鉛、チタン含有酸化物、ゼオライト、触媒担持セラミックスなど)、有機樹脂(ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂など)、活性炭粉体(例えば、水蒸気賦活炭、アルカリ処理活性炭、酸処理活性炭など)、イオン交換樹脂粉体、植物の種子などを挙げることができる。 On the other hand, the latter non-conductive material refers to a material with an electrical resistivity exceeding 10 3 Ωcm, such as non-conductive metal oxides (e.g. silicon oxide, aluminum oxide, iron oxide, manganese dioxide, copper oxide). , nickel oxide, cobalt oxide, zinc oxide, titanium-containing oxides, zeolites, catalyst-supported ceramics, etc.), organic resins (polyamide resins, polyester resins, polyolefin resins, fluorine resins, etc.), activated carbon powder (e.g. (steam-activated carbon, alkali-treated activated carbon, acid-treated activated carbon, etc.), ion exchange resin powder, plant seeds, and the like.

本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体の形状は特に限定するものではないが、例えば、略球形状(略球状や真球状)、繊維状、針状(例えば、テトラポット状など)、平板状、多面体形状、羽毛状、不定形形状であることができる。これらの中でも、略球形状であると、炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度を低下させにくいため、好適な形状である。 The shape of the large particles or large particle aggregates of the present invention is not particularly limited; , polyhedral shape, feather shape, or irregular shape. Among these, a substantially spherical shape is preferable because the contact area with the carbon fibers is small and the degree of freedom of the carbon fibers is less likely to be reduced.

なお、好適である略球形状とは、次の方法で測定されるアスペクト比が2.0以下であることを意味し、1.5以下であるのが好ましく、1.2以下であるのがより好ましい。 In addition, the preferable approximately spherical shape means that the aspect ratio measured by the following method is 2.0 or less, preferably 1.5 or less, and 1.2 or less. More preferred.

(アスペクト比)
(1)炭素繊維シートの表面における電子顕微鏡写真において、個々の輪郭全体を明瞭に観察できる大型粒子又は大型粒子凝集体を選択する。
(2)選択した大型粒子又は大型粒子凝集体における外周上の2点を結んでできる最長の線分(最長線分)を引く。
(3)前記最長線分に対して直交し、選択した大型粒子又は大型粒子凝集体における外周上の2点を結んでできる最長の線分(直交線分)を引く。
(4)前記最長線分(長径)と直交線分(短径)との比を求める。つまり、最長線分(長径)/直交線分(短径)の値を求める。
(5)前記(1)~(4)の操作を任意に選択した50個の粒子に対しして実施し、最長線分(長径)/直交線分(短径)の算術平均値をアスペクト比とする。
(aspect ratio)
(1) Select large particles or large particle aggregates whose entire individual contours can be clearly observed in an electron micrograph of the surface of the carbon fiber sheet.
(2) Draw the longest line segment (longest line segment) connecting two points on the outer periphery of the selected large particle or large particle aggregate.
(3) Draw the longest line segment (orthogonal line segment) that is orthogonal to the longest line segment and connects two points on the outer periphery of the selected large particle or large particle aggregate.
(4) Find the ratio between the longest line segment (longer axis) and the orthogonal line segment (shorter axis). That is, the values of the longest line segment (longest axis)/orthogonal line segment (shortest axis) are determined.
(5) Perform the operations (1) to (4) above on 50 randomly selected particles, and calculate the arithmetic mean value of the longest line segment (longest axis)/orthogonal line segment (shortest axis) to determine the aspect ratio. shall be.

なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は中空であっても、中実であっても良い。 Note that the large particles or large particle aggregates may be hollow or solid.

本発明の炭素繊維シートにおいては、大型粒子又は大型粒子凝集体は、直径、材料、形状、導電性か非導電性か、及び/又は、中空か中実か、から選ばれる少なくとも1点で相違する大型粒子又は大型粒子凝集体が混在していても良い。 In the carbon fiber sheet of the present invention, the large particles or large particle aggregates differ in at least one point selected from diameter, material, shape, conductivity or non-conductivity, and/or hollow or solid state. Large particles or aggregates of large particles may be mixed.

本発明の炭素繊維シートは大型粒子又は大型粒子凝集体を含むものであるが、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に存在するように含んでいるのが好ましい。このように内部に存在していると、曲げによる応力が加わっても、大型粒子又は大型粒子凝集体がその応力を緩和するため、柔軟性により優れていると考えられる。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シートの内部のみに存在することもできるが、柔軟性に優れているように、炭素繊維シートの内部に加えて、表面近傍にも存在しているのが好ましい。つまり、炭素繊維シートの厚さ方向全体にわたって、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在しているのが好ましい。この炭素繊維シートの「内部」とは、炭素繊維シートの厚さ方向における断面写真を撮影し、両表面間を表面に平行な直線で三等分した時の真ん中の領域を意味し、「表面近傍」とは、前記直線で三等分した時の表面を含む領域を意味する。 The carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates, and it is preferable that the large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction. If the particles are present inside in this way, even if stress is applied due to bending, the large particles or large particle aggregates will relieve the stress, so it is thought that the flexibility will be superior. Note that large particles or large particle aggregates can exist only inside the carbon fiber sheet, but in order to have excellent flexibility, it is possible that the large particles or large particle aggregates exist not only inside the carbon fiber sheet but also near the surface. is preferable. That is, it is preferable that large particles or large particle aggregates exist throughout the thickness direction of the carbon fiber sheet. The "inside" of this carbon fiber sheet refers to the middle area when a cross-sectional photograph of the carbon fiber sheet is taken in the thickness direction, and the area between both surfaces is divided into thirds by a straight line parallel to the surface. The term "nearby" means a region including the surface when divided into thirds by the straight line.

なお、炭素繊維シートの厚さ方向における内部に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合、炭素繊維シートの内部全体に均一に大型粒子又は大型粒子凝集体が存在している必要はなく、大型粒子又は大型粒子凝集体の層と炭素繊維の層とが交互に存在していても良い。 In addition, when large particles or large particle aggregates are included inside the carbon fiber sheet in the thickness direction, it is not necessary that the large particles or large particle aggregates are uniformly present throughout the interior of the carbon fiber sheet, and the large particles Alternatively, layers of large particle aggregates and layers of carbon fibers may be present alternately.

また、炭素繊維シートが内部にのみ大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合、表面近傍は炭素繊維のみ、又は大型粒子又は大型粒子凝集体のみから構成することができる。 Further, when the carbon fiber sheet contains large particles or large particle aggregates only inside, the vicinity of the surface can be composed only of carbon fibers, or only large particles or large particle aggregates.

本発明における炭素繊維シートにおいて、大型粒子又は大型粒子凝集体はどのように存在していても良いが、大型粒子又は大型粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在しているのが好ましい。このように点的に接触した状態で存在していると、大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との接触面積が小さく、炭素繊維の自由度があまり制限されておらず、炭素繊維シートは柔軟性により優れているためである。このような点的に接触した状態は、略球形状を有する大型粒子又は大型粒子凝集体がその形状を変形させることなく、炭素繊維に接合している場合に達成しやすい。 In the carbon fiber sheet of the present invention, the large particles or large particle aggregates may be present in any manner, but the large particles or large particle aggregates may be present in point contact with the carbon fibers. is preferred. When the carbon fibers are in point contact in this way, the contact area between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers is small, and the degree of freedom of the carbon fibers is not restricted so much that the carbon fiber sheet is This is because it has better flexibility. Such point-contact state can be easily achieved when large particles or large particle aggregates having a substantially spherical shape are bonded to the carbon fibers without deforming their shape.

また、本発明における炭素繊維シートにおいて、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維との間に皮膜が形成されていない状態で存在しているのが好ましい。このように皮膜が形成されていないと、炭素繊維の自由度があまり制限されておらず、炭素繊維シートは柔軟性により優れているためである。なお、皮膜が形成されていないと、炭素繊維シートの空隙を有効に利用することができるという効果も奏する。つまり、炭素繊維と大型粒子又は大型粒子凝集体との間に皮膜が形成されていると、その皮膜の近傍における炭素繊維シートの空隙を有効に利用できない傾向があるが、皮膜が形成されていなければ、炭素繊維シートの有する空隙を有効に利用することができる。このような「皮膜を形成していない」状態としては、例えば、大型粒子又は大型粒子凝集体が点的又は線的に、炭素繊維と接着、付着、溶着、又は固着した状態にある。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体を、液状接着剤を使用して炭素繊維に接着した場合に、皮膜が形成されやすい。 Further, in the carbon fiber sheet of the present invention, it is preferable that the large particles or large particle aggregates exist in a state where no film is formed between them and the carbon fibers. This is because if no film is formed in this way, the degree of freedom of the carbon fibers is not so restricted and the carbon fiber sheet has better flexibility. Note that, if no film is formed, there is also the effect that the voids in the carbon fiber sheet can be effectively utilized. In other words, if a film is formed between carbon fibers and large particles or large particle aggregates, the voids in the carbon fiber sheet in the vicinity of the film tend not to be used effectively, but if a film is formed, For example, the voids in the carbon fiber sheet can be effectively utilized. Such a state in which "no film is formed" is, for example, a state in which large particles or large particle aggregates are adhered to, attached to, welded to, or fixed to carbon fibers in spots or lines. Note that when large particles or large particle aggregates are adhered to carbon fibers using a liquid adhesive, a film is likely to be formed.

このように、本発明の炭素繊維シートは厚さ方向における炭素繊維間に大型粒子又は大型粒子凝集体を含むものであるが、厚さ方向に限定するものではなく、炭素繊維シートの面方向における炭素繊維間にも、大型粒子又は大型粒子凝集体を全面的に、又は部分的(千鳥状、正方配置、ランダムなど)に含んでいるのが好適である。特に、炭素繊維シートの厚さ方向及び面方向における全体の炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含むのが好ましい。面方向に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む場合も、厚さ方向における炭素繊維間に存在する場合と同様に、大型粒子又は大型粒子凝集体が略球形状、炭素繊維と点的に接触した状態、及び/又は炭素繊維との間に皮膜が形成されておらず、炭素繊維シートの柔軟性を損なわないように、存在しているのが好ましい。 As described above, the carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction, but the carbon fiber sheet is not limited to the thickness direction. It is preferable that large particles or large particle aggregates be included entirely or partially (staggered, square, random, etc.) in between. In particular, it is preferable that large particles or large particle aggregates be included between all the carbon fibers in the thickness direction and surface direction of the carbon fiber sheet. Even when large particles or large particle aggregates are included in the plane direction, the large particles or large particle aggregates have a substantially spherical shape and are in point contact with the carbon fibers, as in the case where they are present between carbon fibers in the thickness direction. It is preferable that the carbon fiber sheet is present so that no film is formed between the carbon fiber sheet and/or the carbon fiber sheet, and the flexibility of the carbon fiber sheet is not impaired.

また、本発明の炭素繊維シートは大型粒子又は大型粒子凝集体のみが存在している必要はなく、炭素繊維の平均繊維径と同じか、より小さい直径を有する小型粒子又は小型粒子凝集体も存在していても良い。本発明の炭素繊維シートにおいては、大型粒子又は大型粒子凝集体によって、柔軟性を有すると考えられるため、大型粒子又は大型粒子凝集体が多いのが好ましく、具体的には、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シートの厚さ方向における個数が1個以上であるのが好ましく、25個以上であるのがより好ましく、50個以上であるのが更に好ましい。なお、この個数は、炭素繊維シートの両表面が収まり、かつ撮影画像面積の80%以上を炭素繊維シートの断面が占める、撮影可能な倍率で、炭素繊維シートの厚さ方向における断面写真を20枚撮影した場合の、断面写真1枚あたりにおける、大型粒子又は大型粒子凝集体の個数を意味する。つまり、断面写真20枚における大型粒子又は大型粒子凝集体の個数の総数を、撮影枚数(20枚)で除した、断面写真1枚あたりの大型粒子又は大型粒子凝集体の個数を意味する。なお、写真撮影は、炭素繊維シートの端部を含まない断面の中央における、連続的に異なる箇所において行なう。 In addition, the carbon fiber sheet of the present invention does not need to contain only large particles or large particle aggregates, but also small particles or small particle aggregates having a diameter equal to or smaller than the average fiber diameter of carbon fibers. It's okay to do so. In the carbon fiber sheet of the present invention, since it is thought that the large particles or large particle aggregates have flexibility, it is preferable that there are many large particles or large particle aggregates, and specifically, large particles or large particle aggregates are preferable. The number of aggregates in the thickness direction of the carbon fiber sheet is preferably one or more, more preferably 25 or more, even more preferably 50 or more. In addition, this number is 20 times the cross-sectional photograph in the thickness direction of the carbon fiber sheet at a magnification that allows both surfaces of the carbon fiber sheet to be accommodated and the cross section of the carbon fiber sheet occupies 80% or more of the photographed image area. It means the number of large particles or large particle aggregates per cross-sectional photograph when taken. In other words, it means the number of large particles or large particle aggregates per cross-sectional photograph, which is obtained by dividing the total number of large particles or large particle aggregates in 20 cross-sectional photographs by the number of photographs (20). Note that photographs are taken at continuously different locations in the center of the cross section of the carbon fiber sheet, not including the edges.

本発明の炭素繊維シートは炭素繊維と粒子又は粒子凝集体とを含むものであるが、炭素繊維同士の接点が少ないように、粒子又は粒子凝集体は炭素繊維シート全体の1mass%以上を占めているのが好ましく、5mass%以上を占めているのがより好ましく、10mass%以上を占めているのが更に好ましい。なお、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シート全体の0.9mass%以上を占めているのが好ましく、4.5mass%以上を占めているのがより好ましく、9mass%以上を占めているのが更に好ましい。一方で、粒子又は粒子凝集体の量が多過ぎると、炭素繊維シートの強度が低くなり、この点から取り扱い性が悪くなる傾向があるため、粒子又は粒子凝集体は炭素繊維シート全体の99mass%以下を占めているのが好ましく、95mass%以下を占めているのがより好ましく、90mass%以下を占めているのが更に好ましい。本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体は、粒子又は粒子凝集体全体に占める割合が高い方が好ましいため、大型粒子又は大型粒子凝集体は炭素繊維シート全体の99mass%以下を占めているのが好ましく、95mass%以下を占めているのがより好ましく、90mass%以下を占めているのが更に好ましい。 The carbon fiber sheet of the present invention contains carbon fibers and particles or particle aggregates, but the particles or particle aggregates account for 1 mass% or more of the entire carbon fiber sheet so that there are few contact points between the carbon fibers. is preferred, more preferably 5 mass% or more, and even more preferably 10 mass% or more. The large particles or large particle aggregates preferably account for 0.9 mass% or more of the entire carbon fiber sheet, more preferably 4.5 mass% or more, and preferably 9 mass% or more of the entire carbon fiber sheet. is even more preferable. On the other hand, if the amount of particles or particle aggregates is too large, the strength of the carbon fiber sheet will decrease, and from this point of view it tends to be difficult to handle. Therefore, particles or particle aggregates account for 99 mass% of the entire carbon fiber sheet. It is preferable that it occupies the following, it is more preferable that it occupies 95 mass% or less, and it is even more preferable that it occupies 90 mass% or less. It is preferable that the large particles or large particle aggregates of the present invention occupy a high proportion of the entire particles or particle aggregates, so it is preferable that the large particles or large particle aggregates account for 99 mass% or less of the entire carbon fiber sheet. Preferably, it accounts for 95 mass% or less, more preferably 90 mass% or less.

本発明の炭素繊維シートは上述の通り、厚さ方向における炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含み、炭素繊維同士の接点が少ない、多孔性の状態にあるため、炭素繊維シート内部の空隙を有効に利用できるものである。具体的には、見掛密度が0.40g/cm以下の多孔性の状態にあるのが好ましい。見掛密度が小さければ小さい程、多孔性でその内部空隙を有効に利用できるため、0.20g/cm以下であるのがより好ましく、0.12g/cm以下であるのが更に好ましい。なお、見掛密度が小さ過ぎると、形態安定性に劣る傾向があるため、0.01g/cm以上であるのが好ましい。この「見掛密度」は「目付(単位:g/m)」を「厚さ(単位:μm)」で除することによって算出される値であり、「目付」は、炭素繊維シートを10cm角に切断して得た試料の質量を測定し、1mの大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」は、シックネスゲージ((株)ミツトヨ製:コードNo.547-401:測定力3.5N以下)を用いて測定した値をいう。 As mentioned above, the carbon fiber sheet of the present invention contains large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction, and is in a porous state with few contact points between the carbon fibers. This makes it possible to effectively utilize the voids in the space. Specifically, it is preferably in a porous state with an apparent density of 0.40 g/cm 3 or less. The smaller the apparent density, the more effectively the internal voids can be utilized due to the porosity, so it is more preferably 0.20 g/cm 3 or less, and even more preferably 0.12 g/cm 3 or less. Note that if the apparent density is too small, the morphological stability tends to be poor, so it is preferably 0.01 g/cm 3 or more. This "apparent density" is a value calculated by dividing "fabric weight (unit: g/m 2 )" by "thickness (unit: μm)". The mass of the sample obtained by cutting it into corners is measured and is the value converted to the mass of 1 m 2. "Thickness" is the thickness gauge (manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.: code No. 547-401). This refers to the value measured using a measuring force of 3.5 N or less.

なお、本発明の炭素シートは炭素繊維と大型粒子又は大型粒子凝集体とを含むものであるが、その他の材料を含むこともできる。例えば、レーヨン、ポリノジック、キュプラなどの再生繊維;アセテート繊維などの半合成繊維;ナイロン繊維、ビニロン繊維、フッ素繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリオレフィン繊維又はポリウレタン繊維などの合成繊維;ガラス繊維、セラミック繊維などの無機繊維;綿、麻などの植物繊維;羊毛、絹などの動物繊維;などを含むこともできる。 Although the carbon sheet of the present invention contains carbon fibers and large particles or large particle aggregates, it can also contain other materials. For example, recycled fibers such as rayon, polynosic, and cupro; semi-synthetic fibers such as acetate fibers; nylon fibers, vinylon fibers, fluorine fibers, polyvinyl chloride fibers, polyester fibers, acrylic fibers, polyethylene fibers, polyolefin fibers, and polyurethane fibers. Synthetic fibers; inorganic fibers such as glass fibers and ceramic fibers; vegetable fibers such as cotton and hemp; animal fibers such as wool and silk; and the like can also be included.

本発明の炭素繊維シートの形態は特に限定するものではないが、例えば、炭素繊維がランダムに配向した不織布形態、繊維が規則正しく配向した織物又は編物形態であることができる。特に、不織布形態であると、空隙が微細で、高空隙率であるため好適である。 The form of the carbon fiber sheet of the present invention is not particularly limited, but may be, for example, a nonwoven fabric in which carbon fibers are randomly oriented, or a woven or knitted fabric in which fibers are regularly oriented. In particular, a nonwoven fabric form is suitable because it has fine voids and a high porosity.

本発明の炭素繊維シートの目付は特に限定するものではないが、機械的強度、導電性に優れているように、0.5~500g/mであるのが好ましく、1~400g/mであるのがより好ましく、3~300g/mであるのが更に好ましく、5~200g/mであるのが更に好ましい。また、厚さも特に限定するものではないが、1~2000μmであるのが好ましく、3~1000μmであるのがより好ましく、5~500μmであるのが更に好ましく、10~300μmが更に好ましい。 Although the basis weight of the carbon fiber sheet of the present invention is not particularly limited, it is preferably 0.5 to 500 g/m 2 and 1 to 400 g/m 2 so as to have excellent mechanical strength and conductivity. The amount is more preferably 3 to 300 g/m 2 , even more preferably 5 to 200 g/m 2 . The thickness is also not particularly limited, but is preferably from 1 to 2000 μm, more preferably from 3 to 1000 μm, even more preferably from 5 to 500 μm, even more preferably from 10 to 300 μm.

本発明の炭素繊維シートを、導電性を必要とする用途に使用する場合、電気抵抗が500mΩ・cm以下であるのが好ましく、100mΩ・cm以下であるのがより好ましく、20mΩ・cm以下であるのが更に好ましい。この「電気抵抗」は次の手順により得られる値である。
(1)炭素繊維シートを5cm角(面積:25cm)に切断し、試料を調製する。
(2)試料を両面側から金メッキを施した金属プレートで挟み、金属プレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。
(3)抵抗(R=V/I)を算出する。
(4)抵抗(R)に試料の面積(25cm)を乗じることによって、電気抵抗を算出する。
When the carbon fiber sheet of the present invention is used for applications requiring electrical conductivity, the electrical resistance is preferably 500 mΩ·cm 2 or less, more preferably 100 mΩ·cm 2 or less, and 20 mΩ·cm 2 It is more preferable that it is as follows. This "electrical resistance" is a value obtained by the following procedure.
(1) A carbon fiber sheet is cut into 5 cm square pieces (area: 25 cm 2 ) to prepare a sample.
(2) The sample is sandwiched between gold-plated metal plates from both sides, and the voltage (V) is measured while applying a current (I) of 1 A under pressure of 2 MPa in the stacking direction of the metal plates.
(3) Calculate resistance (R=V/I).
(4) Calculate the electrical resistance by multiplying the resistance (R) by the area (25 cm 2 ) of the sample.

本発明の炭素繊維シートは柔軟で取り扱い性に優れるものであり、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する場合には、導電性が更に優れているため、電極用基材として好適に用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池又は電気二重層キャパシタの電極として用いた場合、容量の大きい二次電池又はキャパシタを作製できる。また、固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として用いた場合、優れた発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製できる。 The carbon fiber sheet of the present invention is flexible and has excellent handling properties, and if the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity, the carbon fiber sheet has even better electrical conductivity, so it can be suitably used as a base material for electrodes. be able to. For example, when used as an electrode for a lithium ion secondary battery or an electric double layer capacitor, a secondary battery or capacitor with a large capacity can be produced. Moreover, when used as a base material for a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell that can exhibit excellent power generation performance can be produced.

本発明の大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートをガス拡散電極用基材として用いる場合、導電性に優れているばかりでなく、本発明の炭素繊維シートは多孔性であるため、炭素繊維間の空隙に何も充填されていなければ、ガス拡散電極用基材(炭素繊維シート)の厚さ方向及び面方向への排水性に優れているとともに、供給したガスの拡散性に優れている。 When the large particles or large particle aggregates of the present invention have electrical conductivity and a carbon fiber sheet with excellent electrical conductivity is used as a base material for a gas diffusion electrode, the carbon fiber sheet of the present invention not only has excellent electrical conductivity. Since the sheet is porous, if the voids between the carbon fibers are not filled with anything, the gas diffusion electrode base material (carbon fiber sheet) has excellent drainage properties in the thickness direction and surface direction. Excellent diffusivity of supplied gas.

なお、ガス拡散電極用基材(炭素繊維シート)の炭素繊維間の空隙に、フッ素系樹脂を含んでいると、液水が押し出されやすいため、排水性に優れている。このフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体、などを挙げることができる。 Note that when the fluororesin is contained in the gaps between the carbon fibers of the gas diffusion electrode base material (carbon fiber sheet), liquid water is easily pushed out, resulting in excellent drainage performance. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxyfluororesin (PFA), and tetrafluorocarbon resin. ethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride/tetrafluoroethylene/hexafluoro Examples include propylene copolymers and copolymers of various monomers constituting the resin.

本発明のガス拡散電極は大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有し、導電性の優れる炭素繊維シートに、触媒が担持されているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できるものである。また、本発明のガス拡散電極は、炭素繊維シートに触媒が担持され、例えば、炭素繊維及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体の表面に触媒が担持され、触媒同士の接触による電子伝導だけではなく、炭素繊維及び/又は大型粒子又は大型粒子凝集体による電子伝導パスも形成されているため、電子伝導パスから孤立した触媒が少ない。そのため、効率的に触媒を利用でき、触媒量を少なくできるという効果も奏する。 In the gas diffusion electrode of the present invention, the large particles or aggregates of large particles have electrical conductivity, and the catalyst is supported on the highly conductive carbon fiber sheet, so the electrical resistance is low and sufficient power generation performance can be achieved. It is possible to manufacture polymer electrolyte fuel cells. Further, in the gas diffusion electrode of the present invention, a catalyst is supported on a carbon fiber sheet, for example, the catalyst is supported on the surface of carbon fibers and/or large particles or large particle aggregates, and electron conduction through contact between the catalysts is not sufficient. In addition, since electron conduction paths are also formed by carbon fibers and/or large particles or large particle aggregates, there are few catalysts isolated from electron conduction paths. Therefore, the catalyst can be used efficiently and the amount of catalyst can be reduced.

本発明のガス拡散電極は上述のような本発明の炭素繊維シートに触媒が担持されていること以外は、従来のガス拡散電極と全く同様の構造を有する。例えば、触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金、チタン、マンガン、マグネシウム、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金、ニッケル-ランタン合金、チタン-鉄合金などであることができ、これらから選ばれる1種類以上の触媒であることができる。 The gas diffusion electrode of the present invention has exactly the same structure as the conventional gas diffusion electrode except that the catalyst is supported on the carbon fiber sheet of the present invention as described above. For example, the catalyst may be platinum, platinum alloy, palladium, palladium alloy, titanium, manganese, magnesium, lanthanum, vanadium, zirconium, iridium, rhodium, ruthenium, gold, nickel-lanthanum alloy, titanium-iron alloy, etc. and one or more types of catalysts selected from these.

なお、触媒以外にも、電子伝導体及びプロトン伝導体を含んでいるのが好ましく、電子伝導体として、カーボンブラック等の大型粒子又は大型粒子凝集体と同様の導電性材料からなるのが好適であり、触媒はこの電子伝導体に担持されていても良い。また、プロトン伝導体としては、イオン交換樹脂が好適である。 In addition to the catalyst, it is preferable to contain an electron conductor and a proton conductor, and the electron conductor is preferably made of a conductive material similar to large particles such as carbon black or large particle aggregates. The catalyst may be supported on this electron conductor. Further, as the proton conductor, an ion exchange resin is suitable.

このようなガス拡散電極は、例えば、次の方法で作製できる。まず、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一あるいは混合溶媒中に、触媒(例えば、白金などの触媒を担持したカーボン粉末)を加えて混合し、これにイオン交換樹脂溶液を加え、超音波分散等で均一に混合して触媒分散懸濁液とする。そして、本発明の炭素繊維シートに、前記触媒分散懸濁液をコーティング、或いは散布し、乾燥して、ガス拡散電極を製造することができる。 Such a gas diffusion electrode can be produced, for example, by the following method. First, a catalyst (for example, carbon powder supporting a catalyst such as platinum) is added and mixed in a single or mixed solvent consisting of ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol dimethyl ether, etc., and ion exchange resin is added to the mixture. Add the solution and mix uniformly using ultrasonic dispersion or the like to obtain a catalyst-dispersed suspension. Then, the carbon fiber sheet of the present invention can be coated or sprayed with the catalyst dispersion suspension and dried to produce a gas diffusion electrode.

本発明の膜-電極接合体は前述のような導電性の優れるガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を製造できるものである。 Since the membrane-electrode assembly of the present invention is equipped with the gas diffusion electrode with excellent conductivity as described above, it is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell that has low electrical resistance and can exhibit sufficient power generation performance. .

本発明の膜-電極接合体は前述のようなガス拡散電極を備えていること以外は、従来の膜-電極接合体と全く同様であることができる。例えば、固体高分子膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜などであることができる。 The membrane-electrode assembly of the present invention can be completely similar to a conventional membrane-electrode assembly, except that it includes a gas diffusion electrode as described above. For example, the solid polymer membrane may be a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, a sulfonated aromatic hydrocarbon resin membrane, an alkylsulfonated aromatic hydrocarbon resin membrane, or the like.

このような膜-電極接合体は、例えば、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒担持面の間に固体高分子膜を挟み、熱プレスすることによって接合して製造できる。また、前述のような触媒分散懸濁液を支持体に塗布して触媒層を形成した後、この触媒層を固体高分子膜に転写し、その後、触媒層に本発明の炭素繊維シートが当接するように積層し、熱プレスする方法によっても製造できる。 Such a membrane-electrode assembly can be manufactured, for example, by sandwiching a solid polymer membrane between the respective catalyst-supporting surfaces of a pair of gas diffusion electrodes and joining them by hot pressing. Alternatively, after coating a catalyst dispersion suspension as described above on a support to form a catalyst layer, this catalyst layer is transferred to a solid polymer membrane, and then the carbon fiber sheet of the present invention is applied to the catalyst layer. It can also be manufactured by laminating them so that they are in contact with each other and hot pressing them.

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極を備えているため、電気抵抗が低く、充分な発電性能を発揮できる。 Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the gas diffusion electrode, it has low electrical resistance and can exhibit sufficient power generation performance.

本発明の燃料電池は前述のようなガス拡散電極を備えていること以外は、従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜-電極接合体を1対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなり、例えば、セル単位を複数積層し、固定して製造できる。 The fuel cell of the present invention can be completely similar to a conventional fuel cell except that it includes the gas diffusion electrode as described above. For example, it has a structure in which a plurality of cell units in which a membrane-electrode assembly as described above is sandwiched between a pair of bipolar plates is stacked, and can be manufactured by, for example, stacking and fixing a plurality of cell units.

なお、バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、ガス拡散電極にガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボン成形材料、カーボン-樹脂複合材料、金属材料などを用いることができる。 The bipolar plate is not particularly limited as long as it has high conductivity, does not allow gas to pass through, and has a flow path that can supply gas to the gas diffusion electrode, but examples include carbon molding materials, Carbon-resin composite materials, metal materials, etc. can be used.

本発明の炭素繊維シートは、例えば、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に供給する段階、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階、前記前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートとする段階、を含む方法により製造することができる。このように、厚さ方向における炭素繊維間に炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を介在させることによって、厚さ方向における炭素繊維同士の接点を少なくし、また、炭素繊維を大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲させることができるため、柔軟性が優れ、取扱い性に優れる炭素繊維シートを製造できると考えられる。 The carbon fiber sheet of the present invention includes, for example, a step of spinning a precursor carbon fiber using a spinning solution containing a carbonizable resin, a step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fiber, and a step of spinning a precursor carbon fiber in the thickness direction. forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates exist between carbon fibers, carbonizing the precursor carbon fibers constituting the precursor carbon fiber sheet, and forming an average fiber of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction; carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the carbon fiber sheet. In this way, by interposing large particles or large particle aggregates having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers between the carbon fibers in the thickness direction, the number of points of contact between the carbon fibers in the thickness direction is reduced, Furthermore, since carbon fibers can be curved along large particles or large particle aggregates, it is thought that a carbon fiber sheet with excellent flexibility and ease of handling can be manufactured.

より具体的には、まず、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する段階を実施する。この炭化可能な樹脂は特に限定するものではないが、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂;ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ピッチ、ポリアミノ酸樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂などの熱可塑性樹脂;セルロース(多糖類)、タール;又はこれら樹脂のモノマーを成分とする共重合体(例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体など)などを挙げることができる。これらの中でも、アクリル樹脂、特にポリアクリロニトリルが85%以上のものを使用すると、炭化率が高く、繊維内部に空隙がなく、しかも高強度で高弾性率の炭素繊維としやすいため好適である。 More specifically, first, a step of spinning a precursor carbon fiber using a spinning solution containing a carbonizable resin is performed. This carbonizable resin is not particularly limited, but examples include phenol resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin, xylene resin, urethane resin, silicone resin, thermosetting polyimide resin, and thermosetting resin. Thermosetting resins such as thermosetting polyimide resins and thermosetting polyamide resins; polystyrene resins, polyester resins, polyolefin resins, polyimide resins, polyamide resins, polyamideimide resins, polyvinyl acetate resins, vinyl chloride resins, fluororesins, polyacrylonitrile resins , thermoplastic resins such as acrylic resins, polyether resins, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, pitch, polyamino acid resins, and polybenzimidazole resins; cellulose (polysaccharides), tar; or copolymers containing monomers of these resins. Examples include acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, acrylonitrile-styrene copolymer, etc. Among these, it is preferable to use an acrylic resin, especially one containing 85% or more of polyacrylonitrile, because it has a high carbonization rate, has no voids inside the fiber, and can easily produce carbon fibers with high strength and high elastic modulus.

なお、炭素繊維の導電性、機械的強度を高めることができるように、導電性材料を混合することもできる。この導電性材料としては前述のような導電性材料であることができ、カーボンナノチューブであるのが好ましい。 Note that a conductive material can also be mixed so that the conductivity and mechanical strength of the carbon fiber can be increased. This electrically conductive material can be any of the electrically conductive materials mentioned above, preferably carbon nanotubes.

また、導電性材料に替えて、又は加えて、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーンや、金属アルコキシド(ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ホウ素、スズ、亜鉛などのメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシドなど)が重合した無機ポリマーなど、公知の無機系化合物が重合したポリマーを混合することもできる。 In addition, instead of or in addition to the conductive material, silicone such as polydimethylsiloxane, metal alkoxide (methoxide, ethoxide, propoxide, butoxide, etc. of silicon, aluminum, titanium, zirconium, boron, tin, zinc, etc.) may be used. Polymers obtained by polymerizing known inorganic compounds, such as polymerized inorganic polymers, can also be mixed.

このような材料を準備した後、前駆炭素繊維を紡糸するために、炭化可能な樹脂を含有する紡糸液を調製する。場合によっては、導電性材料、シリコーン、及び/又は無機ポリマーを含有する紡糸液を調製する。 After preparing such materials, a spinning solution containing a carbonizable resin is prepared for spinning the precursor carbon fibers. Optionally, a spinning solution containing conductive materials, silicones, and/or inorganic polymers is prepared.

紡糸液を構成する溶媒は炭化可能な樹脂が溶解可能な溶媒であれば良く、特に限定するものではないが、例えば、アセトン、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,4-ジオキサン、ピリジン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、アセトニトリル、ギ酸、トルエン、ベンゼン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、四塩化炭素、塩化メチレン、クロロホルム、トリクロロエタン、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、水等を挙げることができ、これらの溶媒の単独溶媒、又は混合溶媒であることができる。なお、紡糸性に問題がない範囲で、貧溶媒を添加することもできる。 The solvent constituting the spinning solution is not particularly limited as long as it can dissolve the carbonizable resin, but examples include acetone, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,4- Dioxane, pyridine, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, acetonitrile, formic acid, toluene, benzene, cyclohexane, cyclohexanone, carbon tetrachloride, methylene chloride, chloroform, trichloroethane, ethylene Examples include carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, water, etc., and these solvents may be used alone or as a mixed solvent. Note that a poor solvent may be added as long as there is no problem with spinnability.

なお、紡糸液における炭化可能な樹脂の固形分濃度は、炭素繊維を形成できれば良く、特に限定するものではないが、1~50mass%であるのが好ましく、5~30mass%であるのがより好ましい。1mass%を下回ると、生産性が極端に低下し、50mass%を上回ると、紡糸が不安定になる傾向があるためである。 The solid content concentration of the carbonizable resin in the spinning solution is not particularly limited as long as it can form carbon fibers, but is preferably 1 to 50 mass%, more preferably 5 to 30 mass%. . This is because when it is less than 1 mass%, productivity is extremely reduced, and when it is more than 50 mass%, spinning tends to become unstable.

次いで、上述のような紡糸液を用いて前駆炭素繊維を紡糸する。この前駆炭素繊維を形成する方法として、例えば、乾式紡糸法、静電紡糸法、特開2009-287138号公報に開示されているような、液吐出部から吐出された紡糸液に対してガスを平行に吐出し、紡糸液に対して、1本の直線状に剪断力を作用させて繊維化する方法、を挙げることができる。これらの中でも、静電紡糸法、又は特開2009-287138号公報に開示された紡糸方法によれば、平均繊維径が3μm以下の繊維径の小さい前駆炭素繊維を紡糸しやすいため好適である。また、乾式紡糸法又は静電紡糸法によれば、連続繊維である前駆炭素繊維を紡糸しやすいため好適である。特に、静電紡糸法によれば、繊維径が小さく、繊維径の揃った、連続繊維である前駆炭素繊維を紡糸でき、導電性に優れ、しかも表面積が広く、炭素繊維表面を有効に利用できる炭素繊維シートを製造できるため好適である。 Next, the precursor carbon fiber is spun using a spinning solution as described above. Methods for forming this precursor carbon fiber include, for example, dry spinning method, electrostatic spinning method, and the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-287138, in which a gas is applied to the spinning solution discharged from a liquid discharge section. One example is a method in which the spinning solution is discharged in parallel and a shearing force is applied to the spinning solution in a single straight line to form fibers. Among these, the electrostatic spinning method or the spinning method disclosed in JP-A No. 2009-287138 is preferable because it is easy to spin precursor carbon fibers having a small average fiber diameter of 3 μm or less. Further, dry spinning method or electrostatic spinning method is suitable because it is easy to spin precursor carbon fibers that are continuous fibers. In particular, the electrostatic spinning method makes it possible to spin precursor carbon fibers that are continuous fibers with small fiber diameters and uniform fiber diameters, have excellent conductivity, and have a wide surface area, making it possible to effectively utilize the carbon fiber surface. This is suitable because carbon fiber sheets can be manufactured.

なお、本発明における「前駆炭素繊維」とは、炭化可能な樹脂が炭化していない状態の繊維を意味し、炭化可能な樹脂が炭化して炭素繊維を構成するため、炭素繊維の素となる繊維という意味で、前駆炭素繊維と表現している。 In addition, the "precursor carbon fiber" in the present invention means a fiber in a state where the carbonizable resin is not carbonized, and since the carbonizable resin is carbonized to constitute carbon fiber, it becomes the base material of carbon fiber. In the sense of fiber, it is expressed as precursor carbon fiber.

次いで、粒子又は粒子凝集体を前記前駆炭素繊維に対して供給する段階を実施する。粒子又は粒子凝集体を供給することによって、厚さ方向における炭素繊維間に、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む前駆炭素繊維シートを製造することができ、結果として、柔軟性に優れ、取り扱い性に優れる炭素繊維シートを製造することができる。 A step of supplying particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers is then performed. By supplying particles or particle aggregates, a precursor carbon fiber sheet containing large particles or large particle aggregates between carbon fibers in the thickness direction can be manufactured, resulting in excellent flexibility and ease of handling. Carbon fiber sheets with excellent properties can be manufactured.

この粒子又は粒子凝集体の供給方法は特に限定するものではないが、例えば、粒子又は粒子凝集体を圧縮気体の作用によって噴出する方法、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を圧縮気体や超音波の作用によって噴霧する方法、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を静電気の作用によって、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する方法、などの方法を挙げることができる。これらの供給方法の中でも、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を圧縮気体や超音波の作用によって噴霧する方法であると、前駆炭素繊維間に皮膜のない前駆炭素繊維シートを製造しやすいため好適である。特に、粒子又は粒子凝集体を含む分散液を静電気の作用によって、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する方法は、大型粒子凝集体の場合には略球形状を有し、大型粒子又は大型粒子凝集体が前駆炭素繊維と点的に接触した状態で付着し、大型粒子又は大型粒子凝集体と前駆炭素繊維との間に、皮膜が形成されていない前駆炭素繊維シートを製造しやすいため好適である。つまり、液滴同士が電気的に反発して断片化するため、前駆炭素繊維間に大型粒子又は大型粒子凝集体を含む皮膜を形成しにくい。特に、前駆炭素繊維を静電紡糸法により紡糸した場合のように、帯電した前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維の電荷と反対極性に帯電させた液滴を噴霧すると、電荷の作用により、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を確実に前駆炭素繊維に付着させることができる。例えば、静電紡糸法により紡糸した前駆炭素繊維が捕集体上に集積する前の飛翔する前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維の電荷と反対極性に帯電させた液滴を噴霧すると、電荷の作用により、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を確実に前駆炭素繊維に付着させることができる。なお、帯電していない前駆炭素繊維に対して帯電させた液滴を噴霧する場合には、帯電させた液滴の極性は特に限定しない。例えば、静電紡糸法により紡糸した場合であっても、アースした捕集体上に集積し、非帯電となった前駆炭素繊維に対して帯電させた液滴を噴霧する場合には、極性に関係なく帯電させた液滴を噴霧して、大型粒子又は大型粒子凝集体を含む液滴を前駆炭素繊維に付着させることができる。 The method for supplying the particles or particle aggregates is not particularly limited, but examples include a method in which particles or particle aggregates are jetted out by the action of compressed gas, a dispersion containing particles or particle aggregates is supplied by compressed gas or ultrasonic waves, etc. Examples of methods include a method in which a dispersion containing particles or particle aggregates is fragmented into electrically charged droplets by the action of static electricity and then sprayed. Among these supply methods, a method in which a dispersion containing particles or particle aggregates is atomized by the action of compressed gas or ultrasonic waves is preferable because it is easy to produce a precursor carbon fiber sheet without a film between precursor carbon fibers. It is. In particular, a method in which a dispersion containing particles or particle aggregates is fragmented into electrically charged droplets by the action of static electricity and sprayed is a method in which large particle aggregates have a substantially spherical shape, This is suitable because it is easy to produce a precursor carbon fiber sheet in which the particle aggregates are attached in point contact with the precursor carbon fibers and no film is formed between large particles or between the large particle aggregates and the precursor carbon fibers. It is. That is, since the droplets electrically repel each other and fragment, it is difficult to form a film containing large particles or large particle aggregates between the precursor carbon fibers. In particular, when a charged precursor carbon fiber is sprayed with droplets charged to the opposite polarity to that of the precursor carbon fiber, as in the case where the precursor carbon fiber is spun using an electrostatic spinning method, due to the action of the electric charge, Droplets containing large particles or large particle aggregates can be reliably attached to the precursor carbon fiber. For example, if droplets charged to the opposite polarity to the charge of the precursor carbon fibers are sprayed onto the flying precursor carbon fibers spun using the electrospinning method before they are accumulated on the collector, the charge will be reduced. By this action, droplets containing large particles or large particle aggregates can be reliably attached to the precursor carbon fiber. Note that when spraying charged droplets onto uncharged precursor carbon fibers, the polarity of the charged droplets is not particularly limited. For example, even when spinning by electrostatic spinning, when spraying charged droplets onto uncharged precursor carbon fibers that have accumulated on a grounded collector, polarity Freely charged droplets can be sprayed to deposit droplets containing large particles or large particle aggregates onto the precursor carbon fibers.

この粒子又は粒子凝集体の前記前駆炭素繊維への供給は、例えば、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して、或いは、前駆炭素繊維が捕集体上にある程度集積した後の前駆炭素繊維に対して、実施することができる。特に、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して、又は前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給すると、前駆炭素繊維間の接触を妨げ、また、前駆炭素繊維を大型粒子又は大型粒子凝集体に沿って湾曲させることができる結果、柔軟性がより優れ、より取扱い性に優れる炭素繊維シートを製造しやすいと考えられるため、前記段階で粒子又は粒子凝集体を供給するのが好ましい。 The supply of the particles or particle aggregates to the precursor carbon fibers may be performed, for example, for the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, or for the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers have been accumulated on the collecting body. Alternatively, it can be carried out on the precursor carbon fibers after the precursor carbon fibers have accumulated to some extent on the collector. In particular, if particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, or to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers have been accumulated on a collector, the gaps between the precursor carbon fibers As a result of preventing contact and being able to curve the precursor carbon fibers along large particles or large particle aggregates, it is thought that it is easier to produce carbon fiber sheets with better flexibility and better handling properties. Preferably, particles or particle aggregates are provided at said stage.

この粒子又は粒子凝集体としては、前述のような導電性又は非導電性の粒子又は粒子凝集体を使用することができる。特に、粒子又は粒子凝集体が導電性を有すると、導電性の優れる炭素繊維シートを製造できるため好適である。この導電性を高める場合、粒子又は粒子凝集体として、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用するのが好ましい。 As the particles or particle aggregates, conductive or non-conductive particles or particle aggregates as described above can be used. In particular, it is preferable that the particles or particle aggregates have electrical conductivity, since a carbon fiber sheet with excellent electrical conductivity can be produced. When increasing this conductivity, it is preferable to use conductive carbon such as Ketjen black or acetylene black as particles or particle aggregates.

なお、粒子又は粒子凝集体の分散液を使用する場合、分散液における溶媒は粒子又は粒子凝集体を溶解させることなく、分散させることのできるものであれば良く、特に限定するものではない。また、分散液における粒子又は粒子凝集体の濃度は特に限定するものではないが、1~80mass%であるのが好ましく、3~70mass%であるのがより好ましく、5~60mass%であるのが更に好ましい。 In addition, when using a dispersion liquid of particles or particle aggregates, the solvent in the dispersion liquid is not particularly limited as long as it can disperse the particles or particle aggregates without dissolving them. The concentration of particles or particle aggregates in the dispersion is not particularly limited, but is preferably 1 to 80 mass%, more preferably 3 to 70 mass%, and preferably 5 to 60 mass%. More preferred.

また、導電性の粒子又は粒子凝集体の分散液を使用し、分散液を、電荷を有する液滴に断片化して噴霧する場合、断片化しにくい傾向があるため、有機樹脂を含む分散液を調製し、電荷を有する液滴に断片化しやすくするのが好ましい。このような有機樹脂としては、例えば、ナイロン樹脂、ビニロン樹脂、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールを挙げることができる。 Furthermore, when a dispersion of conductive particles or particle aggregates is used and the dispersion is fragmented into electrically charged droplets and then sprayed, fragmentation tends to be difficult, so a dispersion containing an organic resin is prepared. However, it is preferable that the liquid droplets be easily fragmented into charged droplets. Examples of such organic resins include nylon resin, vinylon resin, fluororesin, polyvinyl chloride resin, polyester resin, polyolefin resin, polyvinyl alcohol, and polyethylene glycol.

このように有機樹脂を含む分散液を調製する場合、分散液における溶媒は、粒子又は粒子凝集体を溶解させることなく、分散させることができ、しかも有機樹脂を溶解又は分散させることのできるものであれば良く、特に限定するものではない。なお、分散液が有機樹脂を含む場合、分散液は導電性の粒子又は粒子凝集体を有機樹脂の融液中に分散させたものであっても良い。 When preparing a dispersion containing an organic resin in this way, the solvent in the dispersion must be one that can disperse particles or particle aggregates without dissolving them, and that can also dissolve or disperse the organic resin. It is good if it exists and is not particularly limited. In addition, when the dispersion liquid contains an organic resin, the dispersion liquid may be one in which conductive particles or particle aggregates are dispersed in a melt of the organic resin.

次いで、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成する段階を実施する。例えば、粒子又は粒子凝集体の前駆炭素繊維への供給を、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して実施した場合には、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維を捕集体上に集積して、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。また、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給した場合、粒子又は粒子凝集体の付着した前駆炭素繊維の上に前駆炭素繊維が集積し、その集積した直後の前駆炭素繊維に粒子又は粒子凝集体が供給されるため、前駆炭素繊維への粒子又は粒子凝集体の供給と同時に、厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。更に、前駆炭素繊維が捕集体上にある程度集積した後のシート状の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給した場合、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維を積層して、多層の前駆炭素繊維シートを形成することができる。 Next, a step of forming a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction is performed. For example, when the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers in a flying state after spinning, the precursor carbon fibers with the particles or particle aggregates attached are placed on the collector. can be aggregated to form a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction. In addition, when particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers immediately after the precursor carbon fibers have accumulated on the collection body, the precursor carbon fibers are accumulated on the precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates have adhered. Since the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers immediately after the accumulation, at the same time as the particles or particle aggregates are supplied to the precursor carbon fibers, the particles or particle aggregates are distributed between the precursor carbon fibers in the thickness direction. A precursor carbon fiber sheet can be formed in which the carbon fibers are present. Furthermore, when particles or particle aggregates are supplied to the sheet-shaped precursor carbon fibers after the precursor carbon fibers have accumulated to some extent on the collector, the sheet-shaped precursor carbon fibers to which the particles or particle aggregates have adhered are They can be laminated to form multilayer precursor carbon fiber sheets.

この前駆炭素繊維シートを形成する段階で、前駆炭素繊維シートの内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在するように、粒子又は粒子凝集体を供給すれば、厚さ方向における内部に粒子又は粒子凝集体が存在する炭素繊維シートを製造することができる。例えば、粒子又は粒子凝集体の前駆炭素繊維への供給を、紡糸後の飛翔状態にある前駆炭素繊維に対して実施する場合、また、前駆炭素繊維が捕集体上に集積した直後の前駆炭素繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給する場合、前駆炭素繊維シート内部を構成する前駆繊維に対して粒子又は粒子凝集体を供給すれば、内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。また、捕集体上にある程度集積した後のシート状の前駆炭素繊維に対して、粒子又は粒子凝集体を供給する場合、粒子又は粒子凝集体の付着したシート状の前駆炭素繊維が内部を構成するように積層して、内部の厚さ方向における前駆炭素繊維間に粒子又は粒子凝集体が存在する前駆炭素繊維シートを形成することができる。 In the step of forming this precursor carbon fiber sheet, if particles or particle aggregates are supplied so that the particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the thickness direction inside the precursor carbon fiber sheet, the thickness Carbon fiber sheets can be produced in which particles or particle aggregates are present in the direction. For example, when supplying particles or particle aggregates to precursor carbon fibers in a flying state after spinning, or when supplying particles or particle aggregates to precursor carbon fibers that are in a flying state after spinning, When supplying particles or particle aggregates to the precursor fibers constituting the interior of the precursor carbon fiber sheet, particles or particle aggregates can be supplied between the precursor carbon fibers in the thickness direction of the interior. A precursor carbon fiber sheet can be formed in which aggregates are present. In addition, when supplying particles or particle aggregates to sheet-shaped precursor carbon fibers that have accumulated to some extent on the collection body, the sheet-shaped precursor carbon fibers to which particles or particle aggregates have adhered constitute the interior. The carbon fiber sheets can be laminated in this manner to form a precursor carbon fiber sheet in which particles or particle aggregates are present between the precursor carbon fibers in the interior thickness direction.

そして、この前駆炭素繊維シートを構成する前駆炭素繊維を炭化させ、本発明の炭素繊維シート、つまり、厚さ方向における炭素繊維間に、炭素繊維の平均繊維径よりも大きい直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を含む炭素繊維シートを製造することができる。 Then, the precursor carbon fibers constituting this precursor carbon fiber sheet are carbonized, and the carbon fiber sheet of the present invention, that is, large particles or particles having a diameter larger than the average fiber diameter of the carbon fibers or Carbon fiber sheets containing large particle aggregates can be produced.

この炭化段階は、前駆炭素繊維を構成する炭化可能な樹脂を炭化できれば良く、特に限定するものではないが、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体雰囲気中、最高温度800~3000℃で加熱して実施することができる。なお、昇温速度は5~100000℃/分であるのが好ましく、5~1000℃/分であるのがより好ましい。また、最高温度での保持時間は、3時間以内であるのが好ましく、1~120分間であるのがより好ましい。 This carbonization step may be carried out as long as it can carbonize the carbonizable resin constituting the precursor carbon fiber, and is not particularly limited. It can be carried out by heating. The temperature increase rate is preferably 5 to 100,000°C/min, more preferably 5 to 1,000°C/min. Further, the holding time at the maximum temperature is preferably within 3 hours, and more preferably from 1 to 120 minutes.

以上のような方法により、本発明の炭素繊維シートを製造することができるが、前駆炭素繊維を構成する炭化可能な樹脂がポリアクリロニトリル樹脂である場合には、炭化処理後も繊維形状を維持できるように、炭化処理の前に不融化工程を実施するのが好ましい。この不融化は、例えば、酸化雰囲気中、温度200~300℃で10~120分間加熱して実施できる。なお、不融化の加熱は2回以上、温度又は時間の異なる条件で実施することができる。 The carbon fiber sheet of the present invention can be produced by the method described above, but when the carbonizable resin constituting the precursor carbon fiber is polyacrylonitrile resin, the fiber shape can be maintained even after carbonization treatment. Therefore, it is preferable to perform an infusibility step before the carbonization treatment. This infusibility can be carried out, for example, by heating in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 300° C. for 10 to 120 minutes. Note that the heating for infusibility can be carried out two or more times at different temperatures or times.

以上は、本発明の炭素繊維シートの製造方法の一例であるが、各種後加工により、各用途に適合する物性を付与又は向上させることができる。例えば、本発明の炭素繊維シートを固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として使用する場合、炭素繊維シートの撥水性を高め、排水性及びガス拡散性を高めるために、ポリテトラフルオロエチレンディスパージョンなどのフッ素系樹脂ディスパージョン中に、炭素繊維シートを浸漬して、フッ素系樹脂を付与した後、温度300~350℃で焼結することができる。また、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性である場合には、前駆炭素繊維シート又は炭素繊維シートを加圧することによって、前駆炭素繊維同士又は炭素繊維同士の密着性を高め、導電性を高めることもできる。しかしながら、本発明の炭素繊維シートは見掛密度が0.40g/cm以下の多孔性の状態にあるのが好ましいため、加圧力は適宜調整するのが好ましい。 The above is an example of the method for manufacturing the carbon fiber sheet of the present invention, but physical properties suitable for each use can be imparted or improved by various post-processing. For example, when using the carbon fiber sheet of the present invention as a base material for a gas diffusion electrode in a polymer electrolyte fuel cell, polytetrafluorocarbon The carbon fiber sheet can be immersed in a fluororesin dispersion such as ethylene dispersion to apply the fluororesin, and then sintered at a temperature of 300 to 350°C. In addition, if the large particles or large particle aggregates are conductive, pressurizing the precursor carbon fiber sheet or carbon fiber sheet increases the adhesion between the precursor carbon fibers or between the carbon fibers and increases the conductivity. You can also do that. However, since the carbon fiber sheet of the present invention is preferably in a porous state with an apparent density of 0.40 g/cm 3 or less, it is preferable to adjust the pressing force as appropriate.

なお、内部に空隙のない炭素繊維からなる炭素繊維シートは、炭化率の高い炭化可能な樹脂を使用することによって製造しやすい。例えば、ポリアクリロニトリル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用すると、内部に空隙のない炭素繊維からなる炭素繊維シートを製造しやすい。 Note that a carbon fiber sheet made of carbon fibers with no internal voids can be easily produced by using a carbonizable resin with a high carbonization rate. For example, by using polyacrylonitrile, epoxy resin, phenol resin, etc., it is easy to manufacture a carbon fiber sheet made of carbon fibers with no internal voids.

以下に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

(紡糸溶液の調製)
ポリアクリロニトリル(PAN)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、固形分濃度15mass%の紡糸溶液を調製した。
(Preparation of spinning solution)
Polyacrylonitrile (PAN) was added to N,N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to prepare a spinning solution with a solid content concentration of 15 mass%.

(粒子凝集体分散液の調製)
ケッチェンブラックの水ディスパージョン[ライオン(株)製、ライオンペーストW-311N、固形分量:16.5mass%、一次粒子径:40nm]に、ポリエチレングリコール[和光純薬工業(株)製、分子量:50万]、及び純水を混合し、ケッチェンブラック濃度を12mass%、ポリエチレングリコール濃度を0.7mass%としたカーボン分散液(粒子凝集体分散液)を調製した。
(Preparation of particle aggregate dispersion)
Ketjen black water dispersion [manufactured by Lion Corporation, Lion Paste W-311N, solid content: 16.5 mass%, primary particle diameter: 40 nm], polyethylene glycol [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., molecular weight: 500,000] and pure water to prepare a carbon dispersion (particle aggregate dispersion) with a Ketjen black concentration of 12 mass% and a polyethylene glycol concentration of 0.7 mass%.

(実施例1)
前記紡糸溶液を下記条件の静電紡糸法により紡糸して得た前駆炭素連続繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に直接集積させるのと同時に、下記条件で前記カーボン分散液の静電スプレーを行ない、電荷を有する液滴に断片化して、ステンレスドラム上部から前駆炭素連続繊維の集積位置に向かって噴霧し、集積直後の前駆炭素連続繊維にケッチェンブラックを付着させ、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとが混在した前駆炭素連続繊維不織布(前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックの質量比=70:30)を作製した。
(Example 1)
The precursor carbon continuous fibers obtained by spinning the above-mentioned spinning solution by the electrostatic spinning method under the following conditions are directly accumulated on a stainless steel drum serving as a counter electrode, and at the same time, the carbon dispersion liquid is electrostatically sprayed under the following conditions. The particles are fragmented into electrically charged droplets and sprayed from the top of the stainless steel drum toward the accumulation position of the precursor carbon continuous fibers. A precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric (mass ratio of precursor carbon continuous fibers and Ketjen black = 70:30) in which chain black was mixed was produced.

続いて、前記前駆炭素連続繊維不織布に対して、空気中、温度220℃で30分、及び温度260℃で1時間の酸化処理を行い、前駆炭素連続繊維を構成するPANを不融化し、不融化前駆炭素連続繊維不織布とした。 Subsequently, the precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric was subjected to oxidation treatment in air at a temperature of 220°C for 30 minutes and at a temperature of 260°C for 1 hour to infusible the PAN constituting the precursor carbon continuous fibers and It was made into a non-woven fabric with continuous fibers of fused precursor carbon.

そして、不融化前駆炭素連続繊維不織布を、真空置換式電気炉を用いて、窒素ガス雰囲気下、最高温度800℃で1時間の炭化焼成処理(昇温速度:10℃/分)を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。 Then, the infusible precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric was subjected to carbonization firing treatment (heating rate: 10°C/min) for 1 hour at a maximum temperature of 800°C in a nitrogen gas atmosphere using a vacuum displacement electric furnace. A carbon continuous fiber nonwoven fabric (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers have no voids inside the fibers) was produced.

この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真(図1~3を参照)を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:50個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。 When we took and observed a cross section in the thickness direction of this carbon continuous fiber nonwoven fabric, an enlarged view of the spherical large particle aggregates, and an electron micrograph of the surface (see Figures 1 to 3), we found that Ketjenblack was a spherical large particle aggregate. (diameter: 4 μm, aspect ratio: 1.2), and was contained between carbon fibers in the thickness direction (number of spherical large particle aggregates: 50). In addition, the large spherical particles of Ketjen black were in point contact with the carbon fibers and adhered to the carbon fibers without forming a film. Furthermore, while there were places where the carbon continuous fibers were joined to each other, there were also places where the carbon continuous fibers were joined to each other via Ketjenblack spherical large particle aggregates. Furthermore, some of the continuous carbon fibers were in a curved state due to Ketjenblack spherical large particle aggregates. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjenblack spherical large particle aggregates throughout the entire thickness direction including the interior, near the surface, and the entire surface direction.


<静電紡糸条件>
電極:金属製ノズル(内径0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:3.0g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:+16kV
温度/湿度:25℃/30%RH
Note <Electrospinning conditions>
Electrode: Metal nozzle (inner diameter 0.41mm) and grounded stainless steel drum Discharge rate: 3.0g/hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10cm
Applied voltage: +16kV
Temperature/Humidity: 25℃/30%RH

<静電スプレー条件>
電極:金属性ノズル(内径0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:2.5g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:+18kV
温度/湿度:25℃/30%RH
<Electrostatic spray conditions>
Electrode: Metal nozzle (inner diameter 0.41 mm) and grounded stainless steel drum Discharge amount: 2.5 g/hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: +18kV
Temperature/Humidity: 25℃/30%RH

(実施例2)
カーボン分散液の噴霧量を増やし、前駆炭素連続繊維不織布における、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとの混在質量比率を50:50としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:80個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。
(Example 2)
A carbon continuous fiber nonwoven fabric was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of carbon dispersion sprayed was increased and the mixed mass ratio of precursor carbon continuous fibers and Ketjen black in the precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric was 50:50. (Average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers have no voids inside the fibers) were produced. Electron micrographs of the cross-section in the thickness direction, enlargement of spherical large particle aggregates, and surface of this carbon continuous fiber nonwoven fabric were taken and observed, and it was found that Ketjen Black was spherical large particle aggregates (diameter: 4 μm, aspect ratio: 1.2) was contained between carbon fibers in the thickness direction (number of spherical large particle aggregates: 80). In addition, the large spherical particles of Ketjen black were in point contact with the carbon fibers and adhered to the carbon fibers without forming a film. Furthermore, while there were places where the carbon continuous fibers were joined to each other, there were also places where the carbon continuous fibers were joined to each other via Ketjenblack spherical large particle aggregates. Furthermore, some of the continuous carbon fibers were in a curved state due to Ketjenblack spherical large particle aggregates. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjenblack spherical large particle aggregates throughout the entire thickness direction including the interior, near the surface, and the entire surface direction.

(実施例3)
カーボン分散液の噴霧量を増やし、前駆炭素連続繊維不織布における、前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックとの混在質量比率を20:80としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、厚さ方向における炭素繊維間に含まれていた(球状大型粒子凝集体の個数:150個)。また、ケッチェンブラックの球状大型粒子凝集体は炭素繊維に点的に接触した状態で、皮膜を形成することなく接着した状態にあった。更に、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。更に、炭素連続繊維の一部はケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって湾曲した状態にあった。更に、炭素連続繊維不織布は、その内部、表面近傍を含む厚さ方向全体、及び面方向全体にわたって、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を有していた。
(Example 3)
A carbon continuous fiber nonwoven fabric was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of carbon dispersion sprayed was increased and the mass ratio of precursor carbon continuous fibers and Ketjenblack in the precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric was 20:80. (Average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers have no voids inside the fibers) were produced. Electron micrographs of the cross-section in the thickness direction, enlargement of spherical large particle aggregates, and surface of this carbon continuous fiber nonwoven fabric were taken and observed, and it was found that Ketjen Black was spherical large particle aggregates (diameter: 4 μm, aspect ratio: 1.2) was contained between carbon fibers in the thickness direction (number of spherical large particle aggregates: 150). In addition, the large spherical particles of Ketjen black were in point contact with the carbon fibers and adhered to the carbon fibers without forming a film. Furthermore, while there were places where the carbon continuous fibers were joined to each other, there were also places where the carbon continuous fibers were joined to each other via Ketjenblack spherical large particle aggregates. Furthermore, some of the continuous carbon fibers were in a curved state due to Ketjenblack spherical large particle aggregates. Further, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had Ketjenblack spherical large particle aggregates throughout the entire thickness direction including the interior, near the surface, and the entire surface direction.

(比較例1)
静電スプレーによるカーボン分散液の噴霧を行なわなかったこと以外は実施例1と同様にして、PAN系炭素連続繊維(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)のみからなる炭素連続繊維不織布を製造した。この炭素連続繊維不織布の表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、炭素連続繊維は直線状で、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している状態にあった。
(Comparative example 1)
The procedure was the same as in Example 1, except that the carbon dispersion liquid was not sprayed by electrostatic spraying, and was made of only PAN-based carbon continuous fibers (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers have no voids inside the fibers). A carbon continuous fiber nonwoven fabric was produced. When an electron micrograph was taken of the surface of this continuous carbon fiber nonwoven fabric and observed, it was found that the continuous carbon fibers were linear and the continuous carbon fibers were bonded to each other.

(比較例2)
前記紡糸溶液を実施例1と同じ条件の静電紡糸法により紡糸して得た前駆炭素連続繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に直接集積して前駆炭素連続繊維不織布を形成した後、前記カーボン分散液を実施例1と同じ条件で前記カーボン分散液の静電スプレーを行ない、電荷を有する液滴に断片化して、ステンレスドラム上部から、既に集積して不織布形態となった前駆炭素連続繊維不織布に向かって噴霧し、表面にケッチェンブラックが付着した前駆炭素連続繊維不織布(前駆炭素連続繊維とケッチェンブラックの質量比=70:30)を作製した。
(Comparative example 2)
The precursor carbon continuous fibers obtained by spinning the spinning solution using the electrostatic spinning method under the same conditions as in Example 1 were directly accumulated on a stainless steel drum serving as a counter electrode to form a precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric. The carbon dispersion was electrostatically sprayed under the same conditions as in Example 1, fragmented into charged droplets, and the precursor carbon continuous fibers, which had already been accumulated and formed into a nonwoven fabric, were sprayed from the top of the stainless steel drum. The mixture was sprayed onto a nonwoven fabric to produce a precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric (mass ratio of precursor carbon continuous fibers and Ketjenblack = 70:30) to which Ketjenblack was attached.

続いて、実施例1と同様に、前駆炭素連続繊維の不融化及び炭化焼成処理を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。 Subsequently, in the same manner as in Example 1, the precursor carbon continuous fibers were infusible and carbonized by firing to produce a carbon continuous fiber nonwoven fabric (average fiber diameter: 350 nm, carbon continuous fibers had no voids inside the fibers). did.

この炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、球状大型粒子凝集体の拡大、及び表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが球状大型粒子凝集体(直径:4μm、アスペクト比:1.2)の形態で、面方向における炭素連続繊維間に、点的に皮膜を形成することなく接着した状態で含まれていたものの、厚さ方向における炭素繊維間には含まれていなかった。更に、炭素連続繊維は直線状で、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所があり、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体を介して炭素連続繊維同士が接合している箇所はみられなかった。つまり、炭素連続繊維同士の接合がケッチェンブラック球状大型粒子凝集体によって妨げられた箇所はなかった。更に、炭素連続繊維不織布は、その表面のみに、全面的に、ケッチェンブラック球状大型凝集体を有しており、ケッチェンブラック球状大型粒子凝集体は脱落しやすい状態にあった。 Electron micrographs of the cross-section in the thickness direction, enlargement of spherical large particle aggregates, and surface of this carbon continuous fiber nonwoven fabric were taken and observed, and it was found that Ketjen Black was spherical large particle aggregates (diameter: 4 μm, aspect ratio: In the form of 1.2), it was contained between continuous carbon fibers in the plane direction in a bonded state without forming a film at points, but was not contained between carbon fibers in the thickness direction. . Furthermore, the continuous carbon fibers are linear, and there are places where the continuous carbon fibers are joined to each other, and there are no places where the continuous carbon fibers are joined to each other via Ketjen Black spherical large particle aggregates. There wasn't. In other words, there was no place where the bonding between the carbon continuous fibers was hindered by the Ketjenblack spherical large particle aggregates. Furthermore, the carbon continuous fiber nonwoven fabric had large spherical Ketjen black particles only on its surface, and the large spherical Ketjen black particle aggregates were likely to fall off.

(比較例3)
比較例1と同様にして作製した炭素連続繊維不織布を、ケッチェンブラックの水ディスパージョン[ライオン(株)製、ライオンペーストW-311N、固形分量:16.5mass%、一次粒子径:40nm]中に浸漬した後、温度80℃で1時間乾燥して、ケッチェンブラックを有する炭素連続繊維不織布(平均繊維径:350nm、炭素連続繊維とケッチェンブラックとの質量比=45:55、炭素連続繊維は繊維内部に空隙がない)を製造した。
(Comparative example 3)
A carbon continuous fiber nonwoven fabric prepared in the same manner as in Comparative Example 1 was placed in a Ketjen black water dispersion [manufactured by Lion Corporation, Lion Paste W-311N, solid content: 16.5 mass%, primary particle size: 40 nm]. After immersing it in water, it was dried at a temperature of 80°C for 1 hour to obtain a carbon continuous fiber nonwoven fabric with Ketjenblack (average fiber diameter: 350 nm, mass ratio of carbon continuous fibers and Ketjenblack = 45:55, carbon continuous fibers). produced a fiber with no voids inside.

このケッチェンブラックを有する炭素連続繊維不織布の厚さ方向断面、ケッチェンブラックの拡大、及び表面における電子顕微鏡写真(図4~6を参照)を撮影し、観察したところ、ケッチェンブラックが皮膜の形態で、炭素連続繊維不織布の厚さ方向全体及び面方向全体において、炭素繊維シートの空隙を塞いだ状態にあった。なお、厚さ方向における炭素繊維間にケッチェンブラック球状大型粒子凝集体は含まれていなかった。なお、炭素連続繊維は直線状であり、炭素連続繊維はその繊維同士で接合している箇所がある一方で、ケッチェンブラックを含む皮膜で炭素連続繊維同士が接合している箇所もみられた。 When we photographed and observed a cross-section in the thickness direction of the carbon continuous fiber nonwoven fabric containing this Ketjen black, an enlarged view of the Ketjen black, and an electron micrograph of the surface (see Figures 4 to 6), we found that Ketjen black was a part of the film. In the form, the voids in the carbon fiber sheet were closed in the entire thickness direction and in the surface direction of the carbon continuous fiber nonwoven fabric. Note that no Ketjenblack spherical large particle aggregates were contained between the carbon fibers in the thickness direction. Note that the carbon continuous fibers are linear, and while there are places where the carbon continuous fibers are bonded to each other, there are also places where the carbon continuous fibers are bonded to each other with a film containing Ketjenblack.

(比較例4)
フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物(THV)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度10mass%の溶液を得た。
(Comparative example 4)
Vinylidene fluoride/tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (THV) was added to N,N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to obtain a solution with a concentration of 10 mass%.

次いで、CVD法で合成されたカーボンナノチューブ(CNT)[商品名:VGCF-H(昭和電工(株)製)、繊維径:150nm、アスペクト比:40、多層カーボンナノチューブ]を前記溶液に混合し、撹拌した後、更にDMFを加えて希釈してカーボンナノチューブを分散させ、分散溶液を得た。 Next, carbon nanotubes (CNTs) synthesized by the CVD method [trade name: VGCF-H (manufactured by Showa Denko KK), fiber diameter: 150 nm, aspect ratio: 40, multi-walled carbon nanotubes] were mixed into the solution, After stirring, the mixture was further diluted by adding DMF to disperse the carbon nanotubes to obtain a dispersion solution.

更に、前記分散溶液に、クレゾールノボラックエポキシ樹脂を主剤とし、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤とする炭化可能な樹脂(EP)を加え、CNT:THV:EPの固形分質量比が40:30:30で、固形分濃度が16mass%の第1紡糸液を調製した。 Further, a carbonizable resin (EP) containing a cresol novolac epoxy resin as a main ingredient and a novolac type phenolic resin as a curing agent was added to the dispersion solution, so that the solid content mass ratio of CNT:THV:EP was 40:30:30. A first spinning solution having a solid content concentration of 16 mass% was prepared.

他方、ポリアクリロニトリル(PAN)をN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度20mass%の第2紡糸液を調製した。 On the other hand, polyacrylonitrile (PAN) was added to N,N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to prepare a second spinning solution having a concentration of 20 mass%.

次いで、第1紡糸液を静電紡糸法により、下記条件で第1前駆炭素連続繊維を紡糸し、対向電極であるステンレスドラム上に、直接、集積すると同時に、前記第2紡糸液を静電紡糸法により、下記条件で第2前駆炭素連続繊維を紡糸し、直接、前記第1前駆炭素連続繊維集積体に衝突させて集積して、第1前駆炭素連続繊維と第2前駆炭素連続繊維とが混合した、前駆炭素連続繊維不織布を調製した。 Next, the first precursor carbon continuous fibers are spun using the first spinning solution using the electrostatic spinning method under the following conditions and directly accumulated on a stainless steel drum serving as a counter electrode, and at the same time, the second spinning solution is electrostatically spun. According to the method, second precursor carbon continuous fibers are spun under the following conditions, and directly collided with and accumulated on the first precursor carbon continuous fiber aggregate to form the first precursor carbon continuous fibers and the second precursor carbon continuous fibers. A blended precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric was prepared.


(静電紡糸条件)
(1)第1紡糸液
電極:金属性ノズル(内径:0.33mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:4g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:8cm
印加電圧:+10kV
温度/湿度:25℃/35%RH
Description (electrospinning conditions)
(1) First spinning solution Electrode: Metal nozzle (inner diameter: 0.33 mm) and grounded stainless steel drum Discharge amount: 4 g/hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 8 cm
Applied voltage: +10kV
Temperature/Humidity: 25℃/35%RH

(2)第2紡糸液
電極:金属性ノズル(内径:0.41mm)とアースしたステンレスドラム
吐出量:2g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:12cm
印加電圧:+15kV
温度/湿度:25℃/35%RH
(2) Second spinning solution Electrode: Metal nozzle (inner diameter: 0.41 mm) and grounded stainless steel drum Discharge amount: 2 g/hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 12 cm
Applied voltage: +15kV
Temperature/Humidity: 25℃/35%RH

次いで、カレンダーロール(線圧10N/cm)を用いて、前駆炭素連続繊維不織布の厚さを調整した後、温度150℃に設定した熱風乾燥機で1時間の熱処理を実施して、第1前駆炭素連続繊維を構成するエポキシ樹脂を硬化させ、硬化前駆炭素連続繊維不織布を調製した。 Next, after adjusting the thickness of the precursor continuous carbon fiber nonwoven fabric using a calendar roll (linear pressure 10 N/cm), heat treatment was performed for 1 hour in a hot air dryer set at a temperature of 150°C to obtain the first precursor. The epoxy resin constituting the carbon continuous fibers was cured to prepare a cured precursor carbon continuous fiber nonwoven fabric.

続いて、実施例1と同様に、硬化前駆炭素連続繊維の不融化及び炭化焼成処理を実施して、炭素連続繊維不織布(平均繊維径:1.5μm、炭素連続繊維は内部に空隙を有する)を製造した。 Subsequently, in the same manner as in Example 1, the cured precursor carbon continuous fibers were subjected to infusibility and carbonization firing treatment to obtain a carbon continuous fiber nonwoven fabric (average fiber diameter: 1.5 μm, carbon continuous fibers have voids inside). was manufactured.

この炭素連続繊維不織布の表面における電子顕微鏡写真を撮影し、観察したところ、炭素連続繊維は直線状ではなく、湾曲した状態で、その繊維同士で接合していた。 When an electron micrograph of the surface of this carbon continuous fiber nonwoven fabric was taken and observed, it was found that the carbon continuous fibers were not linear but curved and joined to each other.

<電気抵抗の測定>
次の手順により、実施例1~3及び比較例1~4の炭素連続繊維不織布の電気抵抗を測定した。この結果は表1に示す通りであった。
(1)炭素連続繊維不織布を5cm角(面積:25cm)に切断し、試料を調製する。
(2)試料を両面側から金メッキを施した金属プレートで挟み、金属プレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。
(3)抵抗(R=V/I)を算出する。
(4)抵抗(R)に試料の面積(25cm)を乗じることによって、電気抵抗を算出する。
<Measurement of electrical resistance>
The electrical resistance of the carbon continuous fiber nonwoven fabrics of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 was measured according to the following procedure. The results were as shown in Table 1.
(1) A carbon continuous fiber nonwoven fabric is cut into 5 cm square pieces (area: 25 cm 2 ) to prepare a sample.
(2) The sample is sandwiched between gold-plated metal plates from both sides, and the voltage (V) is measured while applying a current (I) of 1 A under pressure of 2 MPa in the stacking direction of the metal plates.
(3) Calculate resistance (R=V/I).
(4) Calculate the electrical resistance by multiplying the resistance (R) by the area (25 cm 2 ) of the sample.

<柔軟性の評価>
実施例1~3又は比較例1~4の炭素連続繊維不織布を、50mm角に切り取り、試料を調製した。次いで、この試料を二つ折りにした状態で、金属板で挟むことで1.2kPaの加重を5秒間かけた。その後、金属板の間から試料を取り出し、試料の破断状態、つまり、試料にヒビが入り、2つに破断したかどうかを確認した。この結果は表1に示す通りであった。
<Evaluation of flexibility>
The carbon continuous fiber nonwoven fabrics of Examples 1 to 3 or Comparative Examples 1 to 4 were cut into 50 mm square pieces to prepare samples. Next, this sample was folded in half and sandwiched between metal plates to apply a load of 1.2 kPa for 5 seconds. Thereafter, the sample was taken out from between the metal plates, and the fracture state of the sample, that is, whether the sample cracked and broke into two pieces was checked. The results were as shown in Table 1.

Figure 0007394923000001
Figure 0007394923000001

表1の結果から、大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含んでいることによって、二つ折りにしても破断しない柔軟性を有する炭素繊維不織布であることが分かった。また、導電性の大型粒子又は大型粒子凝集体を含んでいること によって、導電性にも優れていることが分かった。 From the results in Table 1, it was found that the carbon fiber nonwoven fabric had flexibility that did not break even when folded in half, by including large particles or large particle aggregates between the carbon fibers in the thickness direction. It was also found that it has excellent conductivity because it contains conductive large particles or large particle aggregates.

本発明の炭素繊維シートは柔軟で取り扱い性に優れるものであり、特に、大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有する場合には、導電性も優れているため、電極用基材として好適に用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池又は電気二重層キャパシタの電極、固体高分子形燃料電池のガス拡散電極用基材として、好適に使用できる。 The carbon fiber sheet of the present invention is flexible and has excellent handling properties, and especially when the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity, it also has excellent electrical conductivity, so it is suitable as a base material for electrodes. Can be used. For example, it can be suitably used as a base material for electrodes of lithium ion secondary batteries or electric double layer capacitors, and gas diffusion electrodes of polymer electrolyte fuel cells.

Claims (8)

炭素繊維間に略球形状を有する粒子又は粒子凝集体が炭素繊維と点的に接触した状態で存在する炭素繊維シートであり、前記粒子又は粒子凝集体として、炭素繊維の平均繊維径の1.5倍以上の直径を有する大型粒子又は大型粒子凝集体を、厚さ方向における炭素繊維間に含み、前記炭素繊維同士は炭化可能な有機材料を含む有機繊維を構成する有機材料の炭化物によって接合していることを特徴とする、炭素繊維シート。 This is a carbon fiber sheet in which approximately spherical particles or particle aggregates are present between carbon fibers in point contact with the carbon fibers , and the particles or particle aggregates have a diameter of 1.0 mm of the average fiber diameter of the carbon fibers. Large particles or large particle aggregates having a diameter of 5 times or more are included between carbon fibers in the thickness direction, and the carbon fibers are bonded to each other by a carbide of an organic material constituting the organic fiber containing a carbonizable organic material. A carbon fiber sheet that is characterized by : 炭素繊維シートの厚さ方向における内部に、大型粒子又は大型粒子凝集体が存在していることを特徴とする、請求項1記載の炭素繊維シート。 The carbon fiber sheet according to claim 1, wherein large particles or large particle aggregates are present inside the carbon fiber sheet in the thickness direction. 大型粒子又は大型粒子凝集体と炭素繊維との間に、皮膜が形成されていないことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の炭素繊維シート。 The carbon fiber sheet according to claim 1 or 2 , characterized in that no film is formed between the large particles or large particle aggregates and the carbon fibers. 大型粒子又は大型粒子凝集体が導電性を有することを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載の炭素繊維シート。 The carbon fiber sheet according to any one of claims 1 to 3 , wherein the large particles or large particle aggregates have electrical conductivity. 請求項4に記載の炭素繊維シートを、ガス拡散電極用基材として用いることを特徴とする、炭素繊維シート。 A carbon fiber sheet, characterized in that the carbon fiber sheet according to claim 4 is used as a base material for a gas diffusion electrode. 請求項4に記載の炭素繊維シートに、触媒が担持されていることを特徴とする、ガス拡散電極。 A gas diffusion electrode, characterized in that a catalyst is supported on the carbon fiber sheet according to claim 4 . 請求項6に記載のガス拡散電極を備えていることを特徴とする、膜-電極接合体。 A membrane-electrode assembly comprising the gas diffusion electrode according to claim 6 . 請求項6に記載のガス拡散電極を備えていることを特徴とする、固体高分子形燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising the gas diffusion electrode according to claim 6 .
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