KR20040111523A

KR20040111523A - 탄소 섬유지 및 그것을 이용한 연료 전지용 다공질 탄소전극 기재

Info

Publication number: KR20040111523A
Application number: KR10-2004-7016553A
Authority: KR
Inventors: 미쯔오 하마다; 히데히꼬 오하시; 가즈시게 미하라; 도모요시 지바; 마코또 나카무라
Original assignee: 미쯔비시 레이온 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-12-31
Also published as: US7510626B2; CN1643213A; US20050150620A1; CN100336972C; KR100594535B1; WO2003087470A1; TW200306376A; TWI314599B; EP1502992A4; DE60326565D1; EP1502992B1; EP1502992A1

Abstract

표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지, 및 이 탄소 섬유지를 구성 요소로서 갖는 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재가 제공된다. 본 발명의 연료 전지용 전극 기재는 탄소 섬유의 분산이 균일하고 유연성을 갖는다. 또한, 본 발명의 탄소 섬유지는 이 전극 기재를 제조하는데 바람직하다.

Description

탄소 섬유지 및 그것을 이용한 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재{CARBON FIBER PAPER AND POROUS CARBON ELECTRODE SUBSTRATE FOR FUEL CELL THEREFROM}

연료 전지용의 전극에는 가스 확산ㆍ투과성, 취급에 견디기 위한 강도, 유연성, 전극 제조시나 전극을 조립하였을 때의 압축에 견디는 강도 등이 필요하다. 또한, 특히 고체 고분자형 연료 전지는 인산형 연료 전지에 비해 소형의 것이 요구되고 있고, 전극도 박형의 것이 요구되고 있다. 이러한 연료 전지용의 전극으로서는, 탄소 섬유지나 탄소 섬유 직물을 기재로 한 것이 주류이다. 특히 탄소 섬유지에서는, 탄소 섬유의 분산 상태가 중요하고, 탄소 섬유끼리 분산되지 않고 다발을 형성한 상태로 종이를 형성하면, 이에 의해 두께 불균일, 가스 투과성의 불균일이 발생하거나, 전극 기재에 촉매를 균일하게 도포하는 것이 곤란해지는 등의 문제가 있었다.

예를 들면, 일본 특허 공개 (평)11-185771호 공보에서는 탄소 섬유화 가능한 섬유 직경 1 내지 4 ㎛의 섬유, 또는 섬유 직경 0.5 내지 3 ㎛의 탄소 섬유를 이용한 종이가 개시되어 있다. 이와 같이 직경이 작은 섬유를 이용함으로써 전극 내부의 전기 저항 저감화에 기여하지만, 종이로 가공할 때의 섬유의 분산은 매우 곤란하여, 균일하게 탄소 섬유가 분산된 탄소 섬유지를 얻기 어렵고, 이 탄소 섬유지를 이용하여 전극 기재를 제조한 경우, 두께 불균일 등의 상술한 문제가 발생하였다.

본 발명은 탄소 섬유지 및 그것을 이용한 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 전극 기재의 한 형태를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 전극 기재의 다른 형태를 설명하기 위한 개념도이다.

도 3은 본 발명의 전극 기재를 제조할 때에 이용할 수 있는 연속식 가열 롤 압착 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4는 본 발명의 전극 기재를 제조할 때에 이용할 수 있는 더블 벨트 압착 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5는 복수매의 탄소 섬유지가 적층된 구조의 전극 기재를 제조할 때에 이용할 수 있는 더블 벨트 압착 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

1, 1', 1": 수지 함침 탄소 섬유지, 2: 이형제 코팅 기재, 3a, 3b: 연속 벨트 장치, 4: 예열 영역, 5: 가열 가압 영역, 10: 수지 함침 탄소 섬유지의 이면, 11: 수지 함침 탄소 섬유지의 표면, 20: 중심선

본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하여, 탄소 섬유의 분산이 보다 균일하면서 유연성을 갖는 연료 전지용 전극 기재 및 이 전극 기재를 제조하기에 바람직한 탄소 섬유지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의해, 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유지가 제공된다.

상기 탄소 섬유의 평균 직경이 5 ㎛ 미만인 것이 바람직하다. 상기 탄소 섬유의 평균 직경이 3 ㎛를 초과하는 것이 바람직하다.

상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 2 mm 이상 18 mm 이하인 것이 바람직하고, 3 mm 이상 6 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.

탄소 섬유지가 습식 제지(papermaking)에 의해 얻어지는 것이 바람직하다.

습식 제지에 의해 얻어지는 탄소 섬유지에 있어서는, 탄소 섬유지의 제지 방향의 인장 강도인 MD 강도와, 제지 방향과 90도를 이루는 폭 방향의 인장 강도인 CMD 강도와의 비가, MD 강도/CMD 강도로서 1.0 이상 2.5 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 상기 탄소 섬유지를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재가 제공된다.

이 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재에 있어서, 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지가 2매 이상 적층된 구조를 갖는 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재로서, 상기 탄소 섬유지의 1매 이상이, 상기 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인 것이 바람직하다.

이 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재에 있어서, 상기 탄화 수지를 포함하는 복수의 탄소 섬유지가 동일한 것이고, 또한 그의 동일면이 각각 표측(表側)이 되도록 적층된 구조를 갖는 것이 바람직하고, 또는 상기 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지로서, 상기 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인 제1 탄소 섬유지와는 달리, 평균 직경 6 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하, 평균 섬유 길이 2 mm 이상 18 mm 이하의 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인 제2 탄소 섬유지를 1매 이상 갖는 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재에 있어서, 상기 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지가 적어도 한 쪽의 최외층에 배치되고, 상기 최외층의 탄소 섬유지의 외측면의 표면 조도가 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재는, 두께가 0.05 mm 이상 0.5 mm 이하이며 부피 밀도가 0.3 g/cm³이상 0.8 g/cm³이하이고, 또한 변형 속도 10 mm/분, 지점간 거리 2 cm 및 시험편 폭 1 cm의 조건에서의 3점 굽힘 시험에 있어서 굽힘 강도가 50 MPa 이상이면서 굽힘시의 휨이 1.5 mm 이상인 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재의 인장 강도가 25 MPa 이상인 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재가 외부 직경 40 cm 이하의 롤에 권취 가능하며, 길이가 1 m 이상인 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재가 탄화 수지를 10 질량％ 이상 50 질량％ 이하 포함하는 것이 바람직하다.

연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재에 있어서, 탄소 섬유지의 제지 방향의 면저항인 MD 면저항과 제지 방향과 90도를 이루는 폭 방향의 면저항인 CMD 면저항의 비가, MD 면저항/CMD 면저항으로서 1.0 이상 2.5 이하인 것이 바람직하다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명의 탄소 섬유지에는, 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유(이하, 경우에 따라서 「고표면적비 탄소 섬유」라 함)를 포함한다.

탄소 섬유는 그의 전구체 섬유의 제조 방법에 의해, 섬유 표면 구조가 평활해지거나 요철상이 되거나 한다. 예를 들면, 탄소 섬유의 전구체 섬유를 습식 방사하여 얻어지는 아크릴 섬유 표면에는 피브릴 구조에서 유래한 요철상의 구조가 형성되고, 일반적으로 이 표면 구조는 탄소 섬유까지 계승된다. 따라서, 전구체 섬유를 습식 방사함으로써 고표면적비 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 이 표면 구조의 형태에 의해 섬유의 마찰 계수가 달라진다. 특히 표면적비가 높은 섬유이면 마찰 계수가 낮아지기 때문에, 섬유는 다발을 형성하지 않고 분산되기 쉬워지므로 바람직하다. 이상의 높은 분산성의 관점에서, 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유에서는 상기한 이유로 인해 분산성이 높아진다. 이에 의해, 제지 공정에 있어서 탄소 섬유의 다발은 감소하고, 탄소 섬유가 보다 균일하게 분산된다.

본 발명의 탄소 섬유지에서는, 다발의 형성을 가능한 줄이는 관점에서 상기 고표면적비 탄소 섬유가 50 질량％ 이상 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70 질량％ 이상 포함되는 것이 바람직하다.

마찬가지로, 분산성을 높이는 관점에서 탄소 섬유지에 포함되는 탄소 섬유의 전부가 상기 고표면적비 탄소 섬유인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 사용되는 상기 고표면적비 탄소 섬유는, 평균 직경이 5 ㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이러한 직경이 작은 탄소 섬유를 이용함으로써, 다공질 탄소 전극 기재의 굽힘 강도나 유연성 및 높은 전기 전도성을 실현할 수 있다. 탄소 섬유지 중의 탄소 섬유가, 평균 직경이 5 ㎛ 이상인 탄소 섬유만이면, 탄소 섬유지가 유연성이 뒤떨어져 섬유간의 결착점이 적어지는 경향이 있고, 이러한 탄소 섬유지를 이용하여 제조한 전극은 저항이 커지는 경향이 있다는 점에서 불리하다. 한편, 제지에 있어서 탄소 섬유의 분산성의 관점에서, 상기 고표면적비 탄소 섬유의 평균 직경은 3 ㎛를 초과하는 것이 바람직하다. 평균 직경을 3 ㎛보다 굵게 함으로써, 탄소 섬유지가 치밀해져 가스의 투과성이 저하되는 것을 막을 수 있기 때문에 바람직하다.

한편, 상기 고표면적비 탄소 섬유의 평균 섬유 길이는, 전극 기재의 강도나 탄소 섬유의 균일한 분산성의 관점에서 2 mm 이상 18 mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 2 mm 이상 10 mm 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 3 mm 이상 6 mm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 섬유 길이를 2 mm 이상으로 함으로써 섬유끼리의 얽힘이 적어지는 것을 양호하게 방지할 수 있어, 우수한 전극 기재의 강도가 얻어진다. 또한, 18 mm 이하이면, 섬유의 분산 매체 내에의 분산성이 우수한 것이 되어, 분산 불균일이 억제된 탄소 섬유지를 얻을 수 있다.

본 발명의 탄소 섬유지에 포함되는 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유, 피치(pitch)계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유 등 어느 것일 수 있지만, 기계적 강도가 비교적 높은 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유가 바람직하고, 특히 탄소 섬유지 중의 탄소 섬유가 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유만으로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유란, 원료로서 아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 중합체를 이용하여 제조되는 것이다. 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는, 예를 들면, 아크릴로니트릴계 섬유를 방사하는 제사 공정, 200 ℃ 이상 400 ℃ 이하의 공기 분위기 중에서 상기 섬유를 가열 소성하여 산화 섬유로 전환하는 내염화 공정, 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 분위기 중에서 300 ℃ 이상 2500 ℃ 이하로 더욱 가열하여 탄화하는 탄화 공정을 경유하여 얻을 수 있고, 복합 재료 강화 섬유로서 바람직하게 사용할 수 있는 것이다. 그 때문에, 다른 탄소 섬유에 비해 강도가 강하고, 기계적 강도가 강한 탄소 섬유지를 형성할 수 있다. 이 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는, 전극 기재의 유연성 유지의 관점에서, 탄소 섬유지 중에 50 질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 70 질량％ 이상 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 탄소 섬유지는 결합제로서 유기 고분자 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 유기 고분자 화합물로서는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아세트산비닐, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열가소성 수지나 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 요소 수지, 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화 수지 이외에, 열가소성 엘라스토머, 부타디엔ㆍ스티렌 공중합체(SBR), 부타디엔ㆍ아크릴로니트릴 공중합체(NBR) 등의 엘라스토머, 고무, 셀룰로오스 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스, 폴리아세트산비닐 등이 바람직하게 사용된다.

또한, 유기 고분자 화합물의 형태로서는 펄프상이나 단섬유상이 바람직하다. 여기서 말하는 펄프상이란 섬유상의 줄기로부터 직경이 수 ㎛ 이하의 피브릴을 다수 분지시킨 구조이다. 이 펄프상의 유기 고분자 화합물을 이용한 시트상 물질은 섬유끼리의 얽힘이 효율적으로 형성되어, 얇은 시트상 물질이라도 그의 취급성이 우수하다는 특징을 가지고 있다. 또한, 단섬유란 섬유사 또는 섬유 토우(tow)를 소정의 길이로 잘라 얻어지는 것이다. 단섬유의 길이는, 결합제로서의 결착성이나 분산성의 관점에서, 2 mm 이상 12 mm 이하가 바람직하다.

또한, 유기 고분자 화합물로서는 펄프상 또는 단섬유상의 폴리비닐알코올이 바람직하다. 또한, 폴리비닐알코올의 중합도는 300 이상 2500 이하인 것이 바람직하다. 폴리비닐알코올은 제지 공정에서의 결착력이 우수하기 때문에, 탄소 단섬유의 탈락이 적어 결합제로서 바람직하다. 또한, 폴리비닐알코올은 전극 기재를 제조하는 최종 단계의 탄소화 과정에서 대부분이 분해ㆍ휘발되어, 기공을 형성한다. 이 기공의 영역재로 인해, 물 및 가스의 투과성이 향상되기 때문에 바람직하다.

탄소 섬유지에 있어서의 유기 고분자 화합물의 함유율은 5 질량％ 이상 40질량％ 이하의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 10 질량％ 이상 30 질량％ 이하의 범위이다. 탄소 섬유지에 후술하는 수지를 함침하고 소성하여 얻어지는 전극 기재의 전기 저항을 낮게 하기 위해서는, 유기 고분자 화합물의 함유량은 적은 것이 좋고, 함유율은 40 질량％ 이하가 바람직하다. 탄소 섬유지의 강도 및 형상을 유지한다는 관점에서, 함유율은 5 질량％ 이상이 바람직하다.

탄소 섬유지를 제조하기 위한 제지 방법으로서는, 액체 매체 중에 탄소 섬유를 분산시켜 제지하는 습식법이나, 공기 중에 탄소 섬유를 분산시켜 하강시키는 건식법을 적용할 수 있지만, 그 중에서도 습식법이 바람직하다. 또한, 생산성 및 얻어지는 탄소 섬유지의 기계적 강도의 관점에서 배치식보다 연속적인 방법이 좋다. 연속적으로 습식 제지하는 방법으로서는, 펄프 등의 섬유로부터 종이 등을 연속 제지하는 공지된 방법을 채용할 수 있다. 그 예로서 원망식(cylinder), 장망식(Fourdrinier), 단망(short-net)식 등의 연속 제지 방법을 들 수 있다. 펄프 등의 섬유와 비교하여 탄소 섬유끼리의 결착력이 약하기 때문에, 원망식으로 연속 제지하기 위해서는 결합제를 상당량 필요로 한다. 이 때문에 장망식 또는 단망식의 방법이 바람직하다. 수동 제지법으로 얻어지는 탄소 섬유지는 연속 제지법으로 얻어지는 것과 비교하여 두껍고, 부피 밀도가 작은 것을 형성하기 쉽다. 그 때문에, 수지를 함침하여 압착하더라도 강도가 뒤떨어지는 경향이 있다는 점에서, 또한 면적 중량(areal weight)의 제어가 용이하다고 할 수 없는 점에서 불리하다. 따라서, 수동 제지법보다 연속 제지법이 바람직하다.

또한, 탄소 섬유지에 수류를 분사시킴으로써, 공경 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 구멍을 연속적으로 개구(hole-forming)함과 동시에 탄소 섬유끼리의 얽힘을 강화시킨 상태로 하는 것도 바람직하다. 이와 같이 개구함으로써, 가스 투과성이 향상될 뿐만 아니라, 개구하지 않는 경우보다 탄소 섬유지의 길이 방향의 강도가 상승된다. 가스 투과성을 향상시키는 방법으로서는, 가는 바늘로 구멍을 뚫는 방법이나, 발포성 수지를 함침시켜 공동을 만드는 방법도 있지만, 이들은 전극 기재의 강도 저하로 연결된다는 점에서 불리하기 때문에, 상기 수류 분사의 방법이 바람직하다. 또한, 수류 분사에 의해서도 탄소 섬유지의 면적 중량은 변화하지 않기 때문에, 도전성 저하의 문제는 생기지 않는다.

또한, 연속적으로 개구하기 위해서 개구 처리를 일정 간격으로 행할 수 있다. 일정 간격으로 연속적으로 개구함으로써 균일하게 가스 투과성을 향상시키는 효과가 있다.

공경 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 구멍을 연속적으로 개구함과 동시에 탄소 섬유끼리의 얽힘을 강화시킨 상태로 하기 위해서는, 공경 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 구멍이 등간격으로 배열된 노즐로부터 고압 수류를 일정 시간마다 탄소 섬유지에 분사하여 분사된 부분에 있던 탄소 섬유를 이동시키고, 근방의 탄소 섬유와 얽는다. 탄소 섬유끼리의 얽힘 강도는 수류 분사의 압력에 의해 조정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 탄소 섬유끼리 결착시키는 결합제로서 적당량의 유기 고분자 물질을 혼합시키는 것이 바람직하다. 예를 들면 펄프상 또는 단섬유상의 유기 고분자 화합물을 탄소 섬유에 혼입하는 방법으로서는, 탄소 섬유와 동시에 수 중에서 교반 분산시키는 방법과, 직접 혼입하는 방법이 있다. 그러나, 탄소 단섬유는 도전성이 높아서 전기 설비의 단락 원인이 되기 쉬운 점이나, 균일하게 분산시키는 것이 중요하다는 관점에서, 수 중에서 교반 분산시키는 방법이 바람직하다. 이와 같이 유기 고분자 화합물을 혼합시킴으로써 탄소 섬유지의 강도를 유지하고, 그의 제조 도중에 탄소 섬유지로부터 탄소 섬유가 박리하거나, 탄소 섬유의 배향이 변화되거나 하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 탄소 섬유지를 제지한 후, 가열 가압 롤에서 가열 압착함으로써 탄소 섬유의 배향 및 두께를 보다 균일화할 수 있다. 또한, 여기서 행하는 가열 압착은 제지의 후처리이고, 후술하는 전극 기재 제조에 있어서의 가열 압착과는 다르다.

제지는 연속으로 행하는 방법이나 배치식으로 행하는 방법이 있지만, 본 발명의 탄소 섬유지 제조를 위해서는 연속 제지가 바람직하다. 또한, 연속적으로 제지한 탄소 섬유지에 있어서, 제지 방향(MD)와 그것과 90도의 각도를 이루는 폭 방향(CMD)의 탄소 섬유지의 인장 강도비(MD 강도/CMD 강도)는 1.0 이상이 바람직하고, 1.2 이상이 보다 바람직하다. 탄소 섬유지의 MD 강도/CMD 강도비는 탄소 섬유지 중의 섬유 배향을 반영한 값이다. 이 비가 작아질수록 탄소 섬유지의 두께가 두꺼워지기 쉽다. 따라서, 탄소 섬유지의 두께 제어의 관점에서, MD 강도/CMD 강도비는 1.0 이상이 바람직하고, 1.2 이상이 보다 바람직하며, 1.3 이상이 더욱 바람직하다. 또한, MD 강도/CMD 강도는 2.5 이하가 바람직하고, 2.0 이하가 보다 바람직하다. 또한, 탄소 섬유지의 MD 강도/CMD 강도비는 최종적으로 얻어지는 다공질 전극 기재로 이어진다. 따라서, 이 비의 값이 낮으면, 최종적으로 얻어지는 다공질 탄소 전극 기재에서의 면내 저항의 이방성이 적어지기 때문에, 우수하고 안정한 성능을 발현하는 연료 전지가 얻어지는 점에서 바람직하다. 이상의 관점에서, 본 발명의 다공질 탄소 전극 기재에 있어서는, 탄소 섬유의 제지 방향(MD)의 면저항과 그것과 90도를 하는 방향(CMD)의 면저항의 비(MD 면저항/CMD 면저항)가 1.0 이상 2.5 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재는, 상기 고표면적비 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지를 구성 요소로서 가짐으로써, 보다 균일하게 탄소 섬유가 분산되어 균일한 특성을 나타내는 것이 된다.

여기서 말하는 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재란, 탄소 섬유 등의 탄소질을 주된 구성 요소로 하는 것으로서, 연료 전지의 전극으로서 기능하기에 충분한 물이나 가스 투과성 및 높은 도전성을 갖는 기재의 것이다. 다공질 전극 기재의 가스 투과성으로서는, 50 ㎖ㆍmm/hrㆍcm²ㆍmmAq(5 ㎖ㆍmm/hrㆍcm²ㆍPa) 이상인 것이 바람직하다. 도전성으로서는, 전극 기재를 구리판에 끼워 구리판의 상하로부터 1 MPa로 가압하고, 10 mA/cm²의 전류 밀도의 전류를 흘렸을 때의 저항치를 측정하였을 때, 관통 저항이 10 mΩㆍcm²이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재 중에는, 후술하는 것과 같은 열경화성 수지 유래의 탄화물인 탄화 수지가 탄소 섬유간의 결착재로서 포함되어 있는 것이 바람직하다.

탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지가 2매 이상 적층된 구조를 갖는 연료 전지용 전극 기재에 있어서, 상기 고표면적비 탄소 섬유를 구성 요소로서 포함하는탄소 섬유지(제1 탄소 섬유지)를 1매 이상 포함하는 것이 바람직하다.

상기 탄화 수지는 도전성, 내부식성 등의 탄소 재료의 특성을 남기면서, 탄소 단섬유끼리 결착시켜 탄소 섬유지의 기계 특성을 유지하는 것이다. 탄화 수지는 탄소 섬유지와는 다른 물질이고, 탄화 수지는 탄소 섬유지를 구성하는 탄소 섬유에 부착되는 형태로 탄소 섬유지에 포함된다.

탄화 수지는 탄소질이라면 어떠한 것으로부터 얻어지더라도 상관없지만, 열경화성 수지를 고온에서 소성시킨 것이 바람직하다. 여기서 사용되는 열경화성 수지는 상온에서 점착성 또는 유동성을 나타내는 물질이며, 탄소화 후에도 도전성 물질로서 잔영역하는 물질이 바람직하고, 페놀 수지, 푸란 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 페놀 수지로서는, 알칼리 촉매 영역재하에서 페놀류와 알데히드류의 반응에 의해 얻어지는 레졸(resole) 유형 페놀 수지를 사용할 수 있다. 또한, 레졸 유형의 유동성 페놀 수지에 공지된 방법에 의해 산성 촉매하에서 페놀류와 알데히드류의 반응에 의해 생성되는, 고체의 열융착성을 나타내는 노볼락 유형의 페놀 수지를 용해 혼입시킬 수도 있다. 이 경우, 노볼락 유형의 페놀 수지로서는 경화제, 예를 들면 헥사메틸렌디아민을 함유한 자기 가교 유형의 것이 바람직하다. 페놀류로서는, 예를 들면, 페놀, 레조르신, 크레졸, 크실롤 등이 이용된다. 알데히드류로서는, 예를 들면, 포르말린, 파라포름알데히드, 푸르푸랄 등이 이용된다. 또한, 이들을 혼합물로서 이용할 수 있다. 페놀 수지로서 시판품을 이용하는 것도 가능하다.

이 때, 열경화성 수지의 함침량은 탄소 섬유지를 100 질량부로 하였을 때에 30 질량부 이상 150 질량부 이하인 것이 바람직하고, 40 질량부 이상 100 질량부 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이 열경화성 수지는 그의 종류나 탄소 섬유지에의 함침량에 의해, 최종적으로 다공질 탄소 전극 기재에 탄화물로서 남는 비율이 달라진다. 다공질 탄소 전극 기재를 100 질량％로 하였을 때에, 탄소 섬유분을 제외한 열경화 수지 유래의 탄화물의 함유량은, 전극 기재 중의 탄소 섬유의 결착이나 전극 기재 유연성 발현의 관점으로부터 바람직하게는 10 질량％ 이상 50 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 20 질량％ 이상 40 질량％ 이하이다. 이러한 함유량이 얻어지도록 함침액의 물성이 조정된다.

탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지가 2매 이상 적층된 구조를 갖는 전극 기재에 있어서, 동일한 탄소 섬유지가, 그의 동일면이 각각 표측이 되도록 적층된 구조로 하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 동일한 탄소 섬유지란, 동일한 재료를 이용하고, 동일한 방법 및 조건에서 동일 장치를 이용하여 제조된, 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지이다.

상술한 바와 같이, 탄소 섬유지는 습식법에 의해 제조하는 것이 바람직하지만, 이 경우에는 특히 표면과 이면의 재질 차이를 작게 하는 것이 곤란하다. 습식 제지법에서는, 탄소 섬유가 액체 매체 중을 위에서 아래로 침강하여 메쉬상의 시트 위로 퇴적되기 때문에, 표면과 이면의 재질이 쉽게 달라지기 때문이다. 특히 탄소 섬유지의 평량이 큰 경우에는, 상기 섬유지의 표면과 이면과의 성상이 현저하게 다른 경우가 있고, 동종의 탄소 섬유지를 단순히 적층하는 것만으로는 전극 기재까지가공하였을 때에 휨이 생기는 경향이 있다는 점에서 불리하다.

탄소 섬유지의 적층 형태에 대하여 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 상술한 바와 같이 탄소 섬유지의 표리면에 휨이 생기지 않게 하기 위해서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 동종의 탄소 섬유지 (1) 및 (1')를 동일면(여기서는, 탄소 섬유지 이면 (10))이 내측이 되고, 동일면(여기서는, 탄소 섬유지 표면 (11))이 표측이 되도록 적층하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유지는 습식 초지에 의해 위에서 아래로 섬유를 침강시킴으로써 얻어지기 때문에, 표면과 이면이 생긴다. 그러나, 동일한 상태에 있는 면(여기서는 초지 표면 (11))이 각각 표면측을 향함으로써, 수지를 함침시킨 탄소 섬유지를 가열 가압하여 경화시킬 때의 경화와 탄소화시의 수축이, 전극 기재의 표리 양면에서 같은 정도로 진행하기 때문에 휨을 방지할 수 있다.

중첩시키는 방법을 보다 상세하게 설명하면, 탄소 섬유지를 2n매 중첩하는 경우(단, n은 양의 정수), 도 1에 나타낸 바와 같이 모든 탄소 섬유지가 중심선 (20)으로 탄소 섬유지 이면 (10)이 향하도록 중첩시키는 것이 바람직하다. 즉, n수의 탄소 섬유지 (1_-1) 내지 (1_-n)이 동일한 방향으로 향하고, n매의 탄소 섬유지 (1'_-1) 내지 (1'_-n)이 이와 반대 방향으로 향하는 것이 바람직하다.

또한, 탄소 섬유지를 2n+1매 중첩하는 경우(단 n은 양의 정수)는, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심에 배치되는 탄소 섬유지 (1")는 임의의 방향을 향해도 좋지만, 그 밖의 탄소 섬유지는 중심부로 탄소 섬유지 이면이 향하게 배치하는 것이 바람직하다. 즉, n매의 탄소 섬유지 (1_-1) 내지 (1_-n)이 동일한 방향으로 향하고, n매의 탄소 섬유지 (1'_-1) 내지 (1'_-n)이 이와 반대 방향으로 향하는 것이 바람직하다.

또한, 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지가 2매 이상 적층된 구조를 갖는 전극 기재에 있어서, 이들 복수의 탄소 섬유지 중의 일부에 상기 제1 탄소 섬유지를 이용하고, 제1 탄소 섬유와는 다른 탄소 섬유지로서, 평균 직경 6 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하, 평균 섬유 길이 2 mm 이상 18 mm 이하의 탄소 섬유를 구성 요소로서 갖는 탄소 섬유지(제2 탄소 섬유지)를 이용하는 것이 바람직하다. 이 때 제1 탄소 섬유지와 제2 탄소 섬유지는 동일할 수도 있다. 이 제2 탄소 섬유지는, 비교적 굵은 섬유 직경의 탄소 섬유를 갖기 때문에 가스 투과성이 우수하다. 따라서, 연료 전지에서 분리기로부터 공급된 수소나 산소 등의 반응 가스를 촉매층의 각 부에 균일하게 분배(이하, 가스 확산능이라고도 함)하고, 촉매층에서 발생한 물의 외부로의 배출을 효율적으로 행할 수 있다. 이 관점에서 제2 탄소 섬유지로서, 탄소 섬유지 중 탄소 섬유의 평균 직경이 6 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하, 평균 섬유 길이가 2 mm 이상 18 mm 이하인 탄소 섬유지를 이용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 제1 탄소 섬유지를 탄소 섬유지 적층체의 적어도 한 쪽의 최외층에 배치하고, 그 최외층의 탄소 섬유지의 외측면의 표면 조도가 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 적층 형태에 있어서는, 최외층의 탄소 섬유지는 탄소 섬유지 (1_-n) 및 (1'_-n)이고, 이들 중 적어도 한 쪽의 외측면 (11)의 표면 조도를 5 ㎛로 하는 형태이다. 연료 전지에 있어서, 이러한 전극 기재를 이용하여표면 조도가 5 ㎛인 면이 촉매층과 접하는 구조로 하는 것이 연료 전지의 성능의 관점에서 바람직하다. 표면 조도란, 촉침을 샘플 위에서 세로 방향 및 가로 방향으로 움직여, 그의 궤적으로부터 얻어지는 윤곽 곡선의 산술 평균 높이의 값이다. 이 표면 조도가 5 ㎛를 초과하는 경우에는, 촉매층과 전극 기재와의 접촉이 적어져 도전성이 뒤떨어지는 경향이 있다는 점에서, 또한 촉매층으로부터 필요 이상으로 물이 전극 기재에 흡수되는 경향이 나타나는 경우가 있다는 점에서 불리하다.

본 발명의 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재는, 두께가 0.05 mm 이상 0.5 mm 이하이며 부피 밀도 0.3 g/cm³이상 0.8 g/cm³이하이고, 변형 속도 10 mm/분, 지점간 거리 2 cm, 시험편 폭 1 cm의 조건에서의 3점 굽힘 시험에 있어서 굽힘 강도가 50 MPa 이상이며 굽힘시의 휨이 1.5 mm 이상인 것이 바람직하다.

다공질 탄소 전극 기재의 두께는, 강도와 저항치의 관점에서 0.05 mm 이상 0.5 mm 이하가 바람직하고, 0.1 mm 이상 내지 0.3 mm 이하가 보다 바람직하다. 두께가 0.05 mm 미만이면, 두께 방향의 강도가 약해져, 셀 스택(cell stack)을 조립하였을 때의 취급성이 저하되는 경향이 있다는 점에서 불리하다. 또한, 0.5 mm를 초과하면 그의 전기 저항이 높아지는 경향이 있다는 점에서, 또한 스택을 적층하였을 때에 전체 두께가 두꺼워진다는 점에서 불리하다. 부피 밀도는 0.3 g/cm³이상 0.8 g/cm³이하가 바람직하고, 0.4 g/cm³이상 0.7 g/cm³이하가 보다 바람직하다. 부피 밀도가 0.3 g/cm³미만인 경우, 전기 저항이 높아지는 경향이 있고, 유연성도저하되는 경향이 있다는 점에서 불리하다. 또한, 0.8 g/cm³를 초과하여 높아지면, 가스 투과성이 나빠지는 경향이 있고, 연료 전지의 성능이 저하되는 경향이 있다는 점에서 불리하다.

본 발명의 다공질 탄소 전극 기재가 굽힘 강도는, 변형 속도 10 mm/분, 지점간 거리 2 cm, 시험편 폭 1 cm의 조건하에서 바람직하게는 50 MPa 이상, 보다 바람직하게는 70 MPa 이상이다. 50 MPa 미만이면 취급성이 저하되는 경향이 있고, 예를 들면 롤에 권취할 때에 깨지기 쉬워지는 경향이 있다는 점에서 불리하다. 또한, 굽힘 강도를 50 MPa 이상으로 함으로써, 전극 기재의 굽힘시에 균열이 생기지 않게 할 수 있다. 또한, 굽힘시의 휨은 바람직하게는 1.5 mm 이상, 보다 바람직하게는 2.0 mm 이상이다. 휨을 이 범위로 함으로써 연속적으로 롤에 권취할 때도 깨지기 어렵고 긴 전극 기재를 용이하게 제조할 수 있고, 취급의 용이성도 우수하다.

또한, 전극 기재의 인장 강도는 25 MPa 이상인 것이 바람직하고, 30 MPa 이상인 것이 보다 바람직하다. 연속으로 롤상으로 권취할 때나, 후-가공 공정을 통과할 때, 장력을 가하여도 파단하는 일 없이 공정을 통과시키기 때문에 인장 강도가 높으면 유리하다.

본 발명에 있어서의 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재는 길이가 1 m 이상인 것이 바람직하고, 또한 외부 직경 40 cm 이하의 롤에 권취할 수 있으면 바람직하다. 전극 기재가 길어서 롤에 권취할 수 있으면, 전극 기재의 생산성이 높아질 뿐만 아니라, 후-공정인 MEA(Membrane Electrode Assembly: 막 전극 접합체) 제조도 연속으로 행할 수 있고, 연료 전지의 비용 저감화에 크게 기여할 수 있다. 이 때문에도, 외부 직경 40 cm 이하, 바람직하게는 외부 직경 30 cm 이하의 롤에 권취 가능한 정도로 유연한 것이 바람직하다. 외부 직경 40 cm 이하의 롤에 권취 가능한 탄소 전극 기재는 유연성이 우수하고, 후-공정인 MEA 제조 공정 통과성이 좋아서, 바람직하다. 또한, 40 cm 이하의 롤에 권취할 수 있으면, 탄소 전극 기재로서의 제품 형태를 컴팩트하게 할 수 있고, 포장나 수송 비용의 면에서도 유리하다.

본 발명에 있어서는, 상술한 탄소 섬유지에 열경화성 수지를 함침하고, 가열 가압에 의해 경화하고, 계속해서 탄소화함으로써 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재로 하는 것이 바람직하다.

상기 열경화성 수지를 탄소 섬유지에 함침하는 방법으로서는, 조임 장치(squeezing apparatus)를 사용하는 방법 또는 열경화성 수지 필름을 탄소 섬유지에 중첩하는 방법이 바람직하다. 조임 장치를 사용하는 방법은 열경화성 수지 용액 중에 탄소 섬유지를 함침하고, 조임 장치로 액이 탄소 섬유지 전체에 균일하게 도포되도록 하며, 액량은 조임 장치의 롤 간격을 바꿈으로서 조절하는 방법이다. 열경화성 수지 용액 점도가 비교적 낮은 경우는 분무법 등을 사용할 수 있다. 또한, 코팅기에 의해 열경화성 수지 용액을 도포하는 방법도 사용할 수 있다.

열경화 수지 필름을 사용하는 방법은 우선 열경화성 수지를 이형지에 일단 코팅하고, 열경화성 수지 필름으로 한다. 그 후, 탄소 섬유지에 상기 필름을 적층하여 가열 가압 처리를 행하여 열경화성 수지를 전사하는 방법이다.

가열 가압 공정은, 생산성의 관점에서, 탄소 섬유지의 전체 길이에 걸쳐 연속하여 행하는 것이 바람직하다. 또한, 가열 가압에 앞서 예열을 행하는 것이 바람직하다. 이 예열 공정에서 열경화성 수지를 연화시켜, 그 후에 계속되는 가열 가압 공정에서, 압착에 의해 전극 기재의 두께를 양호하게 조절할 수 있다. 예열한 수지 함침 탄소 섬유지를 예열 온도보다 50 ℃ 이상 높은 온도에서 압착함으로써 원하는 두께, 밀도의 전극 기재를 얻을 수 있다. 또한, 원하는 두께, 밀도의 전극 기재를 얻기 위해서, 수지 함침 탄소 섬유지를 복수매 겹쳐 가열 가압을 행할 수도 있다.

상기한 가열 가압은, 한쌍의 엔드리스 벨트를 구비한 연속식 가열 압착 장치 또는 연속식 가열 롤 압착 장치를 사용하여 행하는 것이 바람직하다. 전자의 연속식 가열 압착 장치는, 벨트로 전극 기재를 송출하게 되기 때문에 전극 기재에는 거의 장력이 가해지지 않는다. 따라서, 제조 중에 전극 기재의 파괴가 생기기 어렵고, 공정 통과성이 우수하다. 또한, 후자의 연속 가열식 롤 압착 장치는 구조가 단순하고, 운전 비용도 낮다. 이상, 2 개의 가열 가압 방식은 연속으로 열경화성 수지를 경화하기에 적합한 방법이고, 본 발명의 전극 기재의 제조에 사용하는 것이 바람직하다.

연속식 가열 압착을 행할 때는, 탄소 섬유지와 접촉하는 벨트나 롤에 이형제를 도포하거나, 탄소 섬유지를 이형지에 끼우는 것이 바람직하다. 이에 따라, 탄소 섬유지가 벨트나 롤에 붙는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이형제로서는 실리콘계 이형제가 바람직하다. 그 중에서도 고온에서 피막을 형성할 수 있는 유형의 이형제가 바람직하다. 이형지를 사용할 경우에는, 그 수분율을 4.0 질량％ 이하로하는 것이 바람직하다. 4.0 질량％를 초과하면 이형지 내의 수분이 증발할 때 이형지 표면에 팽창된 부분이 여기 저기 보이게 되고, 이것이 압착에 의해 전사되는 경우가 있다는 점에서 불리하다.

상기한 엔드레스 벨트를 구비한 연속식 가열 압착 장치를 사용할 때의 가압 압력은 선압으로 1.0 ×10⁴N/m 이상 5 ×10⁵N/m 이하인 것이 바람직하다. 가열 가압은 섬유 중에 열경화성 수지를 충분히 스며 들게 하고 굽힘 강도를 올리기 위해서 행하는 공정이다. 수지를 열경화시킬 때 1.0 ×10⁴N/m 이상의 선압으로 가압함으로써 충분한 도전성과 유연성을 발생시킬 수 있다. 또한, 5 ×10⁵N/m 이하의 선압으로 가압함으로써, 경화시 수지로부터 발생하는 증기를 충분히 밖으로 배출할 수 있고, 균열의 발생을 억제할 수 있다.

가열 가압 처리에서의 가열 온도는, 경화 처리 시간 또는 생산성의 관점에서 140 ℃ 이상이 바람직하고, 가열 가압 장치 등의 설비를 위한 비용의 관점에서 400 ℃ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 160 ℃ 이상 380 ℃ 이하의 범위이다. 또한, 상기 예열의 온도는 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하의 범위가 바람직하다.

수지 경화 후에 계속되는 수지의 탄소화를 탄소 섬유지의 전체 길이에 걸쳐 연속으로 행하는 것이 바람직하다. 전극 기재가 길어지면 전극 기재의 생산성이 높아질 뿐만 아니라, 후-공정인 MEA 제조도 연속으로 행할 수 있고, 연료 전지의 비용 저감화에 크게 기여할 수가 있다. 구체적으로, 탄소화는 불활성 처리 분위기하에서 1000 ℃ 이상 3000 ℃ 이하의 온도 범위에서, 탄소 섬유지의 전체 길이에걸쳐 연속해서 소성 처리하는 것이 바람직하다. 탄소화에 있어서는, 불활성 분위기하에서 1000 ℃ 이상 3000 ℃ 이하의 온도 범위에서 소성하는 탄소화 처리 전에, 300 ℃ 이상 800 ℃ 이하 정도의 불활성 분위기에서의 소성에 의한 전 처리를 행할 수도 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실시예 중의 각 물성치 등은 이하의 방법으로 측정하였다.

탄소 섬유지 관련:

1) 탄소 섬유의 표면적비

평가하는 탄소 섬유로부터 단섬유를 추출하고, 1.5 cm 길이로 절단하고, 수 개를 헤모커버 글래스(hemocover glass) 상에 올려, 양단을 시판의 오자 수정용의 수정액으로 고정하여 시료로 하였다. 그리고, 원자간력 현미경(세이코 인스투루먼트 제조, 상품명: SPI 13700/SPA-300)에 의해 올림푸스사 제조의 캔틸레버(상품명: SI-DF20)를 사용하여 DFM 모드로써 측정을 행하였다. 측정점 수는 1개 점으로 행하였다. 각 단섬유 표면의 임의의 2.5 ㎛ ×2.5 ㎛의 범위를 측정하고, 얻어진 측정 화상을 이차원 프리에 변환하고, 섬유 표면의 곡률에 상당하는 저주파 성분을 절단한 후, 역변환을 행하여, 섬유 표면 상의 요철의 화상을 얻었다. 이 화상으로부터 단면 모드로 표면적비를 산출하였다.

2) 탄소 섬유 직경

탄소 섬유의 직경은 JIS R-7601에 기재된 헬륨-네온 레이저에 의한 측정(Anritsu사 제조, 상품명: SLB DIA MEASURING SYSTEM을 사용)을 행하였다. 100 개의 탄소 섬유에 대해서 상기 측정을 행하고, 그 평균치로써 탄소 섬유의 평균 직경으로 하였다.

3) 탄소 섬유지의 강도비

탄소 섬유지의 MD, CMD의 각 방향이 인장 방향이 되도록, 15 mm ×25 mm의 크기로, 각 6 매씩 시험편을 절취하고, JIS P 8113에 준거하여 인장 강도를 측정하였다.

4) 탄소 섬유의 분산 상태

탄소 섬유지로부터 임의로 취출한 30 cm ×20 cm의 크기의 샘플을 육안으로 관찰하고, 3 mm²이상의 분산되지 않은 섬유분이 2 개 이하를 ○, 3 개 내지 5 개를 △, 6 개 이상을 ×로 하였다.

전극 기재 관련:

5) 두께, 평량, 부피 밀도, 전극 기재 중의 탄소 섬유 이외의 탄화물 비율

두께 측정 장치 다이얼 틱니스 게이지 7321(상품명. 미쯔또요사 제조)를 사용하여 측정하였다. 또한, 이 때의 측정 게이지의 크기는 직경 10 mm로, 측정 압력은 1.5 kPa로 행하였다.

평량은 300 mm ×200 mm으로 절단한 전극 기재의 질량을 측정하여 이하의 식에 의해 구하였다.

평량(g/m²) = 질량(g)/O.O6(m²)

부피 밀도는 실측한 두께(mm), 평량을 사용하여 이하의 식에 의해 산출하였다.

부피 밀도(g/cm³) = 평량/(두께 ×1000)

또한, 전극 기재 중의 탄소 섬유 이외의 탄화 수지 비율(질량％)은 이하의 식으로부터 산출하였다.

전극 기재 중의 탄소 섬유 이외의 탄화 수지 비율 =

[(전극 기재의 평량)-(탄소 섬유지의 평량×탄소 섬유지 중의 탄소 섬유 비율)]/전극 기재의 평량 ×100

6) 전극 기재의 굽힘 강도

전극 기재의 MD(제지 방향)가 시험편의 긴 변이 되도록 80 mm ×10 mm의 크기로 10 매 절취한다. 굽힘 강도 시험 장치를 사용하여 지점간 거리는 2 cm로 하고, 변형 속도 1O mm/분으로 시험편에 하중을 가하여, 하중이 가하여지기 시작한 점으로부터 시험편이 파단되었을 때의 가압 쐐기의 파단 하중을 10 매의 시험편에 대하여 측정하고, 다음 식으로부터 구하였다.

굽힘 강도(MPa) = 3PL/2Wh²

P: 파단 하중(N)

L: 지점간 거리(cm)

W: 시험편의 폭(mm)

h: 시험편의 높이(mm)

7) 전극 기재의 휨

상기 6)과 같이, 지점간 거리는 2 cm으로 하여, 변형 속도10 mm/분으로 시험편에 하중을 가하고, 하중이 걸리기 시작한 점으로부터 시험편이 파단되었을 때의 가압 쐐기의 이동 거리 측정에 의해 구하였다.

8) 면 저항

전극 기재를 10 cm ×2 cm의 크기로 절취, 그 한 면에 2 cm의 간격을 두고 구리선을 올려, 4 단자법으로, 10 mA/cm²의 전류 밀도로 전류를 흘렸을 때의 저항을 측정하였다. 이 측정을 MD 방향과 CMD 방향에서 행하고, MD/CMD의 저항비를 구하였다.

9) 가스 투과 계수

가레식 덴소미터(Gurley densometer)를 사용하여, 0.79 cm²의 구멍 면적에서 200 mm³의 기체가 통과하는 시간을 측정하여 산출하였다.

10) 관통 저항의 측정

전극 기재의 두께 방향의 관통 저항은 시료를 구리판에 끼우고, 구리판의 상하로부터 1 MPa로 가압하여 10 mA/cm²의 전류 밀도로 전류를 흘렸을 때의 저항치를 측정하여 다음 식으로부터 구하였다.

관통 저항(Ωㆍcm²) = 측정 저항치(Ω) ×시료 면적(cm²)

11) 전극 기재의 인장 강도 측정

전극 기재를 폭 15 mm, 길이 100 mm로 취출하고, 인장 속도 2 mm/분으로 인장 측정을 행하였다. 측정을 10 회 행하고, 그 평균치를 인장 강도로 하였다.

12) 표면 조도 측정

표면 조도계 (미쯔또요 제조, 상품명: 서프 테스트 SJ-402)를 사용하여, 촉침 (바늘 직경 5 ㎛ 다이아몬드 칩)을 6 cm ×6 cm의 크기로 절단한 샘플 위에서 세로 방향 가로 방향으로 움직여 그 궤적으로부터 윤곽 곡선을 기재시켜 산출되는 윤곽 곡선의 산술 평균 높이 Ra를 판독하고, 이것을 표면 조도로 하였다.

<실시예 1>

아크릴로니트릴계 공중합체를 디메틸아세트아미드에 용해하여 방사 원액(중합체 농도 21 질량％, 원액 온도 70 ℃)을 제조하였다.

이 방사 원액을 직경 0.045 mm, 구멍수 50000의 방사 노출(spinneret)을 사용하여 농도 30 질량％, 욕조 온도 50 ℃의 디메틸아세트아미드 수용액 중에 토출하여, 응고 섬유로 하였다. 또한, 이 응고 섬유를 끓는 물 중에서 연신하면서 세정ㆍ탈용제한 후, 실리콘계 유제 용액 중에 침지하고, 가열 롤러로 건조 치밀화하였다. 이어서, 건열 롤러로 연신하여 전구체 섬유를 얻었다.

이 섬유를 공지된 방법으로 소성을 행하였더니, 표면적비 1.09, 평균 섬유 직경 4 ㎛의 탄소 섬유를 얻었다. 이 탄소 섬유 다발을 절단하여 평균 섬유 길이가 3 mm인 단섬유를 얻었다.

다음으로, 이 단섬유 다발을 습식 단망 연속 제지 장치의 슬러리 탱크에서 수 중에 균일하게 분산시키고, 충분히 분산하였을 때 결합제인 폴리비닐알코올(PVA)의 단섬유(쿠라레 가부시끼 가이샤 제조, 상품명: VBP 105-1, 절단 길이 3 mm)를 탄소 섬유와 PVA의 합계량에 대하여 14 질량％가 되도록 균일하게 분산시켜 송출하였다. 송출된 웹을 단망판에 통과시키고, 드라이어로 건조 후, 길이 20 m의 탄소 섬유지를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유지에 대해서 상술한 평가를 행하였더니 양호한 분산 상태였다. 결과를 표 1에 통합하였다.

다음으로, 딥 닙(dip nip)법에 의해 열경화성 수지를 함침시켰다. 즉, 이 탄소 섬유지를 페놀 수지(상품명: 페놀라이트 J-325, 다이니폰 잉크 가가꾸(주) 제조)의 20 질량％ 메탄올 용액의 트레이에 연속적으로 송입, 조임 장치로써 수지를죄고, 연속적으로 열풍을 내뿜어 건조시켜, 수지 함침 탄소 섬유지를 얻었다. 이 때, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 페놀 수지를 130 질량부 부착하였다.

다음으로, 이 수지 함침 탄소 섬유지를 도 3에 나타낸 연속식 가열 롤 압착 장치로써 연속적으로 가열 가압하여, 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 즉, 상기 수지 함침 탄소 섬유지 (1)을 롤로부터 송출하고, 이것을 이형제 코팅 기재 (2)로 끼운 상태에서 예열 영역 (4), 이어서 가열 가압 영역 (5)로 보내고, 그 후 이형제 코팅 기재 (2)를 제거하여 얻어진 수지 경화 탄소 섬유지를 롤에 권취하였다. 예열 영역 (4)에서는 상자가 배치되어 있고, 안으로 열풍을 취입함으로써 수지 함침 탄소 섬유지를 가열하였다. 또한, 가열 가압 영역에는 가열을 할 수 있는 압착 롤이 배치되어 있고, 이에 따라 가열과 가압을 동시에 행할 수 있다. 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 198 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 300 ℃, 압착 압력은 선압 4.5 ×10⁴N/m이었다.

그 후, 30 cm 폭으로 20 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를, 질소 가스 분위기 중에서 2000 ℃의 연속 소성 화로에서 10 분간 가열하여 탄소화함으로써 길이 20 m의 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 30 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일하게 하여, 평균 섬유 직경이 3.5 ㎛, 표면적비가 1.07인PAN계 탄소 섬유 다발을 절단하여, 평균 섬유 길이가 3 mm인 단섬유를 얻었다.

실시예 1과 동일하게 결합제로서 PVA를 사용하여 제지를 행하여, 길이 50 m의 탄소 섬유지를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유지의 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 114 질량부의 수지를 함침한 후, 수지 함침 탄소 섬유지를 도 4에 나타낸 한쌍의 엔드레스 벨트를 구비한 연속식 가열 압착 장치(더블 벨트 압착 장치: DBP)로써 연속적으로 가열 압착하고, 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 즉, 상기 수지 함침 탄소 섬유지 (1)을 이형제 코팅 기재 (2)의 사이에 배치하고, 수지 함침 탄소 섬유지 (1) 및 이형제 코팅 기재 (2)를 연속 벨트 장치 (3a, 3b)의 사이로 보내, 예열영역 (4), 이어서 가열 가압 영역 (5)로 보냈다. 그 후는 도 3의 롤 압착 장치와 동일하게 이형제 코팅 기재 (2)를 제거하여, 얻어진 수지 경화 탄소 섬유지를 롤에 권취하였다. 예열 영역 (4)에서는 상자가 배치되어 있고, 안으로 열풍을 취입함으로써 벨트를 가열함으로써 간접적으로 수지 함침 탄소 섬유지를 가열한다. 또한, 가열 가압 영역에는, 가열할 수 있는 압착 롤이 배치되어 있고, 이에 따라 가열과 가압을 동시에 행할 수 있다. 또한, 연속 벨트 장치 (3a, 3b)는 각각 회전함으로써 수지 함침 탄소 섬유지 (1) 등을 반송하였다. 또한, 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 198 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 300 ℃, 압착 압력은 선압 6.0 ×10⁴N/m이었다.

그 후, 30 cm 폭으로 50 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를 실시예 1과동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 30 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일하게 평균 섬유 직경이 4.2 ㎛, 표면적비가 1.12인 PAN계탄소 섬유 다발을 절단하여, 평균 섬유 길이 3 mm의 단섬유를 얻었다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 136 질량부의 수지를 함침한 후, 실시예 2와 동일하게 DBP로써 수지의 경화 처리를 행하였다. 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 160 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 300 ℃, 압착 압력은 선압 7.5 ×10⁴N/m이었다.

그 후, 30 cm 폭으로 50 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 30 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 4>

실시예 3과 동일하게, 평균 섬유 직경이 4.2 ㎛, 표면적비가 1.12인 PAN계 탄소 섬유 다발을 절단하여, 평균 섬유 길이가 3 mm인 단섬유를 얻었다. 실시예 1과 동일하게 PVA를 결합제로서 사용하여 길이 100 m의 탄소 섬유지를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유지의 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 148 질량부의 수지를 함침한 후, 실시예 2와 동일하게 DBP로써 수지의 경화 처리를 행하였다. 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 180 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 300 ℃, 압착 압력은 선압 3.0 ×10⁴N/m이었다.

그 후 30 cm 폭으로 길이 100 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 100 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 17 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 5>

실시예 1과 동일하게 하여, 평균 섬유 직경이 4 ㎛, 표면적비가 1.09의 PAN 계 탄소 섬유 다발을 절단하여 평균 섬유 길이가 3 mm인 단섬유를 얻었다.

실시예 1과 동일하게, 결합제로서 PVA를 사용하여 제지를 행하여, 길이 100 m의 탄소 섬유지를 얻었다.

다음으로, 코팅기에 의해 열경화성 수지를 탄소 섬유지의 양면에 도포하는 방법으로, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 83 질량부의 수지를 함침하였다. 계속해서 도 5에 나타내는 바와 같이, 탄소 섬유지 이면이 내층이 되도록 수지 함침 탄소 섬유지 (1) 및 (1')를 2 매 겹쳐 이형제 코팅 기재로 끼우고, 더블 벨트 압착장치로 연속적으로 가열 압착 경화하여, 30 cm 폭으로 100 m 길이의 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 이것을 300 ℃ 내지 600 ℃의 질소 가스 분위기하에서의 전 처리를 행한 후, 질소 가스 분위기 중에서 2000 ℃의 연속 소성 화로에서 10 분간 가열하여, 탄소화를 행하였다. 최종적으로 길이 100 m의 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 17 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 6>

평균 섬유 직경이 7.2 ㎛, 표면적비가 1.13인 PAN계 탄소 섬유 다발을 절단하여, 평균 섬유 길이가 6 mm인 단섬유를 얻었다.

실시예 1과 동일하게 결합제로서 PVA를 사용하여 제지를 행하여, 길이 50 m의 탄소 섬유지를 얻었다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 100 질량부의 수지를 함침한 후, 실시예 2와 동일하게 DBP로써 수지의 경화 처리를 행하였다.

그 후, 30 cm 폭으로 50 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를, 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 30 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<비교예 1>

평균 섬유 직경이 4.1 ㎛, 표면적비가 1.02인 PAN계 탄소 섬유 다발을 절단하여, 평균 섬유 길이가 6 mm인 단섬유를 얻었다.

실시예 1과 동일하게 결합제로서 PVA를 사용하여 제지를 행하여, 길이 50 m의 탄소 섬유지를 얻었다. 그러나, 탄소 섬유의 분산이 균일하지 않았다. 얻어진 탄소 섬유지의 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

다음으로, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 136 질량부의 수지를 함침한 후, 실시예 2와 동일하게 DBP로써 수지의 경화 처리를 행하였다. 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 128 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 280 ℃, 압착 압력은 선압 7.5 ×10⁴N/m이었다.

그 후, 30 cm 폭으로 50 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지를, 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻어, 외부 직경 30 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 7>

도 4에 나타낸 바와 같이 탄소 섬유지 이면이 내층이 되도록 실시예 1과 동일 수지 함침 탄소 섬유지 (1) 및 (1')를 2 매 겹쳐 이형제 코팅 기재로 끼우고, 더블 벨트 압착 장치로써 실시예 3과 동일 조건으로 연속적으로 가열 압착하여, 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 수지 함침 탄소 섬유지의 적층 형태는 도 1에 나타낸 바와 같다.

계속해서, 상기 수지 경화 탄소 섬유지를, 질소 가스 분위기 중에서 최고 온도 600 ℃의 소성 화로에서 10 분간 처리하고, 2000 ℃의 연속 소성 화로에서 10분간 가열하여 탄소화함으로써 길이 1OO m의 다공질 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻었다.

평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 8>

실시예 1과 동일하게 탄소 단섬유, PVA를 혼합ㆍ분산시키고, 송출한 후, 송출된 웹이 망판을 통과할 때 고압 수류를 분사하여, 구멍을 갖는 종이를 형성하고, 드라이어 건조 후, 길이 140 m의 탄소 섬유지를 얻었다. 수류의 분사에 대해서는 제지 벨트 상부에 부착된 노즐로부터 행하되, 이 때 사용한 노즐의 분사 구멍의 간격은 1 mm이고 공경은 0.1 mm로 하였다. 이 이후는 실시예 6과 동일한 방법으로, 수지 함침하고, 가열 압착 경화, 소성 처리를 연속적으로 행하여 길이 1OO m의 다공질 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻었다.

평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 9>

실시예 1과 동일한 탄소 섬유지를 탄소 섬유지 A로 하고, 별도 평균 섬유 직경이 7 ㎛, 평균 섬유 길이가 6 mm인 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유의 단섬유 다발을 실시예 1과 동일하게 균일하게 분산시켜, 길이 20 m의 탄소 섬유지 B를 얻었다. 분산 상태는 양호하였다.

다음으로, 실시예 1과 동일하게 딥 닙법에 의해, 탄소 섬유지 A 100 질량부에 대하여 페놀 수지를 90 질량부 부착한 수지 함침 탄소 섬유지 C를 얻었다.

또한, 탄소 섬유지 B에 대해서도 동일하게, 탄소 섬유지 B 100 질량부에 대하여 페놀 수지를 130 질량부 부착한 수지 함침 탄소 섬유지 D를 얻었다.

다음으로, 이 수지 함침 탄소 섬유지를 도 4에 나타낸 바와 같이 DBP로써 연속적으로 가열 가압하여, 수지 경화 탄소 섬유지 E를 얻었다. 즉, 상기 수지 함침탄소 섬유지 C를 하측 롤 (1a)로부터, 상기 수지 함침 탄소 섬유지 D를 상측 롤 (1b)로부터 송출하고, 이것을 이형제 코팅 기재 (2)로 끼운 상태로 연속 벨트 장치 (3a, 3b)의 사이로 보내고, 예열 영역 (4), 이어서 가열 압착 영역 (5)에서 일체화시켰다. 그 후 이형제 코팅 기재 (2)를 제거하고, 얻어진 수지 경화 탄소 섬유지를 롤에 권취하였다. 이 때의 예열 영역에서의 예열 온도는 150 ℃, 예열 시간은 5 분이고, 가열 가압 영역에서의 온도는 250 ℃, 압착 압력은 선압 4.5 ×10⁴N/m이었다.

그 후, 30 cm 폭으로 20 m 얻어진 이 수지 경화 탄소 섬유지 E를, 질소 가스분위기 중에서 2000 ℃의 연속 소성 화로에서 10 분간 가열하여, 탄소화함으로써 길이 20 m의 탄소 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 17 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 뒤틀림이 없는 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 10>

실시예 1과 동일하게 하여 표 1에 나타낸 바와 같은 탄소 섬유지를 얻었다. 여기에 실시예 5와 동일한 방법으로, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여 페놀 수지를 56 질량부 부착하였다.

다음으로, 실시예 5와 동일하게 하여 탄소 섬유지 이면이 내층이 되도록 탄소 섬유지 2 매를 겹치고, 선압을 4.5 ×10⁴N/m으로 한 것 이외에는 실시예 2와 동일하게 DBP를 사용하여, 30 cm 폭으로 50 m의 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 또한, 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 35.2 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 11>

실시예 1과 동일하게 하여 표 1에 나타낸 바와 같은 탄소 섬유지를 얻었다. 여기에 실시예 5와 동일한 방법으로, 탄소 섬유지 100 질량부에 대하여, 페놀 수지를 69 질량부 부착하였다.

다음으로, 실시예 5와 동일하게 탄소 섬유지 이면이 내층이 되도록 탄소 섬유지를 2 매 겹치고, DBP를 사용하여 30 cm 폭으로 50 m의 수지 경화 탄소 섬유지를 얻었다. 또한, 실시예 1과 동일하게 탄소화함으로써 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 35.2 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

<실시예 12>

실시예 5에서 사용한 수지 함침 탄소 섬유지를 1 매만 사용하고, 압착 선압 1.5 ×10⁴N/m로 한 것 이외에는 실시예 5와 동일하게 DBP를 사용하여 수지 경화 탄소 섬유지를 제조하고, 또한 실시예 5와 동일하게 소성을 행하여, 길이 50 m의 전극 기재를 연속적으로 얻고, 외부 직경 17 cm의 원통형 지관에 권취하였다. 탄소 섬유의 분산은 양호하고, 유연한 전극 기재였다. 평가 결과를 표 2에 나타내었다.

각 예의 조건, 평가 결과를 표 1 및 2에 나타내었다.

본 발명에 의해, 탄소 섬유의 분산이 양호하고 유연성을 갖는 연료 전지용 탄소 전극 기재, 및 이 기재를 제조하기에 바람직한 탄소 섬유지를 얻을 수 있다. 본 발명의 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재를 사용함으로써 우수한 성능을 갖는 연료 전지, 특히 고체 고분자형 연료 전지를 얻을 수 있다.

Claims

표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유지.
제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 평균 직경이 5 ㎛ 미만인 탄소 섬유지.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 평균 직경이 3 ㎛를 초과하는 탄소 섬유지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 2 mm 이상 18 mm 이하인 탄소 섬유지.
제4항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 3 mm 이상 6 mm 이하인 탄소 섬유지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 습식 제지에 의해 얻어지는 탄소 섬유지.
제6항에 있어서, 탄소 섬유지의 제지 방향의 인장 강도인 MD 강도와, 제지방향과 90도를 이루는 폭 방향의 인장 강도인 CMD 강도의 비가 MD 강도/CMD 강도로서 1.0 이상 2.5 이하인 탄소 섬유지.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 탄소 섬유지를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항에 있어서, 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지가 2 매 이상 적층된 구조를 가지며, 상기 탄소 섬유지의 1 매 이상이 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제9항에 있어서, 상기 탄화 수지를 포함하는 복수의 탄소 섬유지가 동일한 것이며, 그의 동일면이 각각 표측(表側)이 되도록 적층된 구조를 갖는, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제9항에 있어서, 상기 탄화 수지를 포함하는 탄소 섬유지로서, 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인 제1 탄소 섬유지 이외에, 평균 직경 6 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하 또한 평균 섬유 길이 2 mm 이상 18 mm 이하의 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지인 제2 탄소 섬유지를 1 매 이상 갖는, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 표면적비가 1.05 이상인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유지가 적어도 한 쪽의 최외층에 배치되고, 상기 최외층의 탄소 섬유지의 외측면의 표면 조도가 5 ㎛ 이하인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항 또는 제9항에 있어서, 두께가 0.05 mm 이상 0.5 mm 이하이고, 부피 밀도가 0.3 g/cm³이상 0.8 g/cm³이하이며, 변형 속도 10 mm/분, 지점간 거리 2 cm 및 시험편 폭 1 cm의 조건에서의 3점 굽힘 시험에서 굽힘 강도가 50 MPa 이상이면서 굽힘시의 휨이 1.5 mm 이상인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 인장 강도가 25 MPa 이상인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 직경 40 cm 이하의 롤에 권취 가능하며 길이가 1 m 이상인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화 수지를 10 질량％ 이상 50 질량％ 이하 포함하는, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 섬유지의 제지 방향의 면저항인 MD 면저항과 제지 방향과 90도를 이루는 폭 방향의 면저항인 CMD 면저항의 비가, MD 면저항/CMD 면저항으로서 1.0 이상 2.5 이하인, 연료 전지용 다공질 탄소 전극 기재.