WO2016159352A1 - 多孔質電極基材およびその製造方法 - Google Patents

多孔質電極基材およびその製造方法 Download PDF

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幸太 秀島
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a porous electrode substrate used in a fuel cell, a porous electrode substrate produced by the production method, a membrane-electrode assembly including the porous electrode substrate, and a solid polymer fuel It relates to batteries.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-077562 filed in Japan on April 2, 2015 and Japanese Patent Application No. 2016-026631 filed on February 16, 2016 in Japan. The contents are incorporated herein.
  • a polymer electrolyte fuel cell is generally composed of a separator, an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a porous electrode substrate.
  • the porous electrode substrate mainly has the following roles.
  • the first function is to supply fuel gas or oxidizing gas as uniformly as possible from the gas flow path formed in the separator disposed outside the porous electrode substrate to the noble metal catalyst in the catalyst layer.
  • the second function is to discharge water produced by the reaction in the catalyst layer.
  • the third function is to conduct electrons necessary for the reaction in the catalyst layer or generated electrons to the separator. Therefore, it is desired that the porous electrode base material is excellent in the reaction gas and oxidizing gas permeability, the water discharging property, and the electronic conductivity, and by improving these, the power generation performance is expected to be improved.
  • the porous electrode base material is made to have a low bulk density, the distance between fibers in the in-plane direction and the in-plane direction is long. As a result, a porous electrode substrate that is difficult to handle can be obtained.
  • the present invention provides a porous electrode substrate having a low bulk density, which has good handling properties and gas permeability, which are difficult to produce conventionally, by producing a porous electrode substrate by a production method different from the conventional one. Objective.
  • the gist of the present invention resides in the following [1] to [14].
  • a porous electrode base material having a structure in which carbon fibers (A) are joined by carbides, and has a bulk density of 1.0 ⁇ 10 ⁇ 1 when a pressure of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 1 MPa is applied.
  • a porous electrode base material having g / cm 3 or more and 2.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or less and a bending strength of 10 MPa or more.
  • the porous electrode substrate according to [1], wherein the thickness when a pressure of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 1 MPa is applied is 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • Step (1) A step of producing a precursor sheet in which the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) are dispersed
  • Step (2) The precursor sheet is heated and pressurized to melt the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the thermoplastic resin-containing fiber (B) and the carbon fiber (A) are fused to form.
  • Step (3) a step of adding a thermosetting resin to the obtained precursor sheet-like molded body 1
  • Step (4) a step of heat-treating the precursor sheet-shaped molded body 1 to which the thermosetting resin is added, curing the thermosetting resin contained therein, and obtaining the precursor sheet-shaped molded body 2
  • Step (5) A step of carbonizing the obtained precursor sheet-like molded body 2 at a temperature of 1000 ° C. or higher to obtain a porous electrode substrate.
  • the precursor sheet-shaped molded body 1 to which the resin has been added is heat-treated, and the thermoplastic resin-containing fiber (B) is melted to increase the thickness of the precursor sheet-shaped molded body 1.
  • thermosetting resin contained is cured to obtain the precursor sheet-like molded body 2.
  • step (1) a precursor sheet-like product in which the carbon fiber precursor fiber (C) is further dispersed together with the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) is produced.
  • step (2) a precursor sheet-like product in which the carbon fiber precursor fiber (C) is further dispersed together with the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) is produced.
  • the production method according to [10]. The production method according to any one of [9] to [11], wherein the carbon powder (D) is added in the step (1).
  • step (3) the carbon powder (D) is added together with the thermosetting resin.
  • the thermosetting resin is a water-soluble phenol resin and / or a water-dispersible phenol resin.
  • the porous electrode base material according to the present invention is a production method by “carbonization by high-temperature firing” after “thermosetting resin addition” from the conventional “sheet-like material making”, followed by “heating and pressure treatment” In contrast, by mixing thermoplastic resin-containing fibers at the time of sheet-like material making, “heat-pressing treatment” from “sheet-like material making”, followed by “thermosetting resin addition” Manufactured in the order of “carbonization”. By not performing the heat and pressure treatment after adding the thermosetting resin, the thermosetting resin adheres evenly in the in-plane direction and in the direction perpendicular to the surface.
  • a porous electrode substrate having a bulk density can be provided.
  • a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell including the porous electrode substrate can be provided.
  • the porous electrode base material obtained by the present invention has a structure in which carbon fibers (A) are joined by carbides. Moreover, the carbon fiber (A) forms a three-dimensional entangled structure in the porous electrode substrate.
  • the shape of the porous electrode substrate can be selected as necessary from known shapes in the field of fuel cells. For example, the shape can be a flat plate shape, a spiral shape, or the like.
  • carbon fiber (A) which comprises the porous electrode base material of this invention what is mentioned by description regarding the manufacturing method of the below-mentioned porous electrode base material is mentioned.
  • carbonized_material which joins carbon fiber (A) it is 1000 degreeC or more using glassy carbide obtained by carbonizing a high molecular compound as a raw material at a high temperature of 1000 degreeC or more, and carbon fiber precursor fiber (C) as a raw material. Fibrous carbide obtained by carbonizing at a high temperature.
  • the shape of the carbide is not particularly limited, and the carbon fiber (A) may be joined with glassy carbide, the carbon fiber (A) may be joined with fibrous carbide, and a combination of these may be used. .
  • a structure in which carbon fibers (A) are joined by carbides means a structure in which carbon fibers (A) are joined by carbides, and the carbides are joined to contact portions between the carbon fibers (A).
  • the carbide may be joined so as to connect the carbon fibers (A) to each other, or a combination thereof may be used.
  • the three-dimensional entangled structure in the present invention refers to a structure in which the carbon fibers (A) are present at an average angle of 3 ° or more or a maximum value of 10 ° or more with respect to the horizontal plane of the porous electrode substrate. .
  • the details of the measurement method are as in International Publication No. 2012/060258.
  • the porous electrode base material of the present invention has a bulk density of 1.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or more and 2.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 when a pressure of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 1 MPa is applied.
  • the bending strength is 10 MPa or more.
  • the bulk density is too low, handling is difficult, and preferably 1.1 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or more.
  • gas permeability will deteriorate when the said bulk density is too high, Preferably it is 2.0 * 10 ⁇ -1 > g / cm ⁇ 3 > or less. More preferably, it is 1.2 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or more and 2.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or less.
  • the porous electrode substrate of the present invention preferably has a thickness of 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less when a pressure of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 1 MPa is applied. If the thickness is too thin, handling is difficult, and more preferably 60 ⁇ m or more. Moreover, when thickness is too thick, roll winding will be difficult, More preferably, it is 450 micrometers or less. More preferably, they are 80 micrometers or more and 400 micrometers or less. Further, the porous electrode substrate of the present invention preferably has a permeability in the thickness direction of 500 ml / cm 2 / hr / Pa or more.
  • the air permeability is too low, the diffusibility of the fuel gas or the oxidizing gas is deteriorated, and therefore, it is preferably 600 ml / cm 2 / hr / Pa or more.
  • the upper limit of the air permeability is not particularly limited, but is preferably 3000 ml / cm 2 / hr / Pa or less from the viewpoint of preventing the electrolyte membrane from being dried.
  • the porous electrode base material of the present invention has a thickness when a pressure of 3 MPa is applied, of 10% to 70% of a thickness when a pressure of 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa is applied. If this value is too low, the amount of deflection of the separator into the gas flow path increases, so it is more preferably 20% or more. Further, if this value is too high, it becomes difficult to absorb the thickness accuracy of the other members when assembling the fuel cell. Therefore, it is more preferably 60% or less.
  • the porous electrode base material has a thickness of 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa before pressure application of 3 MPa, and a thickness when the pressure is released to 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa after pressure application of 3 MPa. It is preferably 40% or more and 95% or less. If this value is too low, there is concern about mechanical breakage during compression, so 40% or more is more preferable. Moreover, although there is no upper limit to this value, it is more preferably 95% or less.
  • the porous electrode substrate of the present invention preferably has an electric resistance value in the thickness direction when a pressure of 3 MPa is applied of 1.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or more and 10.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or less.
  • an electric resistance value in the thickness direction when a pressure of 3 MPa is applied 1.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or more and 10.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or less.
  • the electrical resistance value it is more preferably 1.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or more.
  • this value is too high, the current collection efficiency of electrons generated by the electrode catalyst is deteriorated, and therefore, it is more preferably 10.00 m ⁇ ⁇ cm 2 or less.
  • Thickness, bulk density, air permeability in the thickness direction, bending strength, pressure when applied with pressure of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 1 MPa, thickness when applied with pressure of 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa, pressure of 3 MPa The thickness at the time of application, the electric resistance value in the thickness direction, and the method of measuring the thickness at the time of applying a pressure of 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa measured after applying a pressure of 3 MPa will be described later in the column of Examples.
  • the porous electrode substrate described above can be produced by manufacturing in the order of the following steps (1) to (5).
  • Step (1) A step of producing a precursor sheet in which the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) are dispersed.
  • Step (2) The precursor sheet is heated and pressurized to melt the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the thermoplastic resin-containing fiber (B) and the carbon fiber (A) are fused to form. And a step of obtaining the precursor sheet-like molded body 1.
  • Step (3) A step of adding a thermosetting resin to the obtained precursor sheet-like molded body 1.
  • Process (4) The process which heat-processes the precursor sheet-like molded object 1 which added the thermosetting resin, hardens the said thermosetting resin to contain, and obtains the precursor sheet-like molded object 2.
  • Step (5) A step of carbonizing the obtained precursor sheet-like molded body 2 at a temperature of 1000 ° C. or higher to obtain a porous electrode substrate.
  • the precursor sheet-like material in the step (1) can further contain a carbon fiber precursor fiber (C) in addition to the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B).
  • a step (6) of entanglement of the precursor sheet can be included.
  • the process (7) of heat-processing a precursor sheet-like material can be included between the said process (6) and the said process (2).
  • Step (1) Step of producing a precursor sheet in which carbon fibers (A) and thermoplastic resin-containing fibers (B) are dispersed>
  • the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) may be dispersed and then formed into a sheet to make a precursor sheet.
  • the strength of the precursor sheet can be improved. That is, the precursor sheet can be made of carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B), carbon fiber (A), thermoplastic resin-containing fiber (B), and carbon fiber precursor fiber.
  • the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B), or the carbon fiber (A), the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the carbon are contained in a liquid medium.
  • distribute and the method of mixing these directly are mentioned, From the viewpoint of making it disperse
  • Carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B), or carbon fiber (A), thermoplastic resin-containing fiber (B), and carbon fiber precursor fiber (C) are mixed, made into paper, and a precursor sheet By producing the product, the strength of the precursor sheet is improved.
  • the precursor sheet can be made by either a continuous method or a batch method, but it is preferably made by a continuous method from the viewpoint of productivity and mechanical strength of the precursor sheet.
  • the basis weight of the precursor sheet is preferably about 10 to 200 g / m 2 .
  • the thickness of the precursor sheet is preferably about 50 to 500 ⁇ m.
  • Step (2) The precursor sheet is heated and pressurized to melt the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the thermoplastic resin-containing fiber (B) and the carbon fiber (A) are fused to form.
  • a roll press apparatus or a continuous belt press apparatus capable of continuously heating and press-molding a precursor sheet is used for the heat and pressure treatment.
  • a continuous press having a pair of rolls is used. It is preferable to use a hot roll press apparatus.
  • the heating temperature in the heat and pressure treatment is as follows: carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B) in the precursor sheet, or carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B) and carbon fiber.
  • the temperature is preferably 80 to 250 ° C, more preferably 100 to 200 ° C.
  • the processing speed in the heat and pressure treatment is as follows: carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B) in the precursor sheet, or carbon fiber (A) and thermoplastic resin-containing fiber (B) and carbon fiber.
  • it is preferably 1 to 15 m / min, more preferably 3 to 9 m / min.
  • the heat and pressure treatment of the precursor sheet is preferably performed at a linear pressure of 10 kg / cm to 300 kg / cm.
  • a linear pressure 10 kg / cm to 300 kg / cm.
  • the fusion between the body fibers (C) can be easily advanced.
  • breakage of the carbon fiber (A) at the time of heating and pressing can be easily suppressed.
  • Carbonization can also be performed continuously by performing heat and pressure molding continuously.
  • the thickness of the precursor sheet can be adjusted by controlling the clearance between rolls in addition to controlling the heating temperature, processing speed, and linear pressure.
  • molding may be performed by setting a clearance, or molding may be performed by pressing without setting the clearance.
  • a release agent is previously applied to each roll so that the carbon fiber (A), the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the carbon fiber precursor fiber (C) do not adhere. It may be coated or a release paper may be sandwiched between the precursor sheet and each roll. As described above, the precursor sheet-shaped molded body 1 is obtained.
  • thermosetting resin The process of adding a thermosetting resin to the obtained precursor sheet-like molded object 1>
  • the method for adding the thermosetting resin to the precursor sheet-shaped molded body 1 is not particularly limited as long as it is a method capable of imparting the thermosetting resin to the precursor sheet-shaped molded body 1.
  • the thermosetting resin include those mentioned in the description of the method for producing a porous electrode substrate described later. From the viewpoint of residual charcoal efficiency and handleability, a water-dispersible phenol resin and / or a water-soluble phenol resin is preferable.
  • thermosetting resin for example, a method of uniformly coating a thermosetting resin on the surface of the precursor sheet-shaped molded body 1 using a coater or a method of impregnating the precursor sheet-shaped molded body 1 in a bathtub immersed in the thermosetting resin is used. be able to.
  • the thermosetting resin can be discharged (sprayed, dropped, or flowed down) onto the precursor sheet-like molded body 1.
  • thermosetting resin for example, a method of spraying or dripping a thermosetting resin on the surface of the precursor sheet-shaped molded body 1 using a spray nozzle, a discharge type coater such as a curtain coater, and the like on the surface of the precursor sheet-shaped molded body 1
  • a method in which a thermosetting resin is flowed down and uniformly coated can be used.
  • the supply method of the liquid agent containing the thermosetting resin is not particularly limited, and for example, a pressure supply by a pressurized tank, a constant supply by a pump, a liquid agent suction method using self-priming pressure, or the like can be used.
  • the spray nozzle it is preferable to use a two-fluid nozzle in which the liquid agent flow path and the gas flow path are separated from the viewpoint that the flow path is not easily clogged and maintenance is easy.
  • a nozzle for example, a double tube nozzle or a vortex nozzle disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-244997 can be used.
  • the gas used for spraying is not particularly limited as long as it does not react with the thermosetting resin or accelerate the curing of the thermosetting resin, but it is usually preferable to use compressed air.
  • a needle-shaped nozzle generally known as a dropping needle, the spray nozzle, and a high-pressure liquid jet nozzle can be used.
  • thermosetting resin In order to uniformly infiltrate the discharged thermosetting resin into the precursor sheet-like molded body 1 or to remove excess thermosetting resin, a squeeze (nip) device may be used in combination. it can. Instead of drawing, by blowing gas on the surface of the precursor sheet-like molded body 1 from which the thermosetting resin is discharged (for example, sprayed) or by sucking from the back surface of the discharged precursor sheet-like molded body 1, A thermosetting resin may be infiltrated into the precursor sheet-like molded body 1. The addition of the thermosetting resin may be repeated a plurality of times.
  • the dispersion medium may be dried and then the thermosetting resin may be further added, or a resin addition sheet (precursor to which the thermosetting resin is added)
  • the sheet-like molded body 1) may be turned over, and a thermosetting resin may be added from the opposite side. These operations may be repeated.
  • the number of additions of the thermosetting resin is not particularly limited, but reducing the number of additions is preferable from the viewpoint of reducing manufacturing costs. When the number of times of addition is plural, the same thermosetting resin may be used, or those having different resin compositions and concentrations may be used. Further, the addition amount of the thermosetting resin may be uniform in the thickness direction of the precursor sheet-like molded body 1 or may have a concentration gradient.
  • thermosetting resin The three-dimensional network cross-linking structure of the thermosetting resin is developed by the heat treatment, and the residual carbon ratio after the carbonization treatment step (5) can be increased.
  • the heat treatment time can be, for example, 30 seconds to 24 hours.
  • the heat treatment method is not particularly limited, and direct heat treatment using a hot plate or a hot roll, heat treatment using a high-temperature hot air furnace or a far infrared heating furnace, and the like can be applied.
  • a heat treatment using a high-temperature hot-air furnace or a far-infrared heating furnace is preferable in that adhesion of the added thermosetting resin can be suppressed.
  • heat-treating the precursor sheet-shaped molded body 1 manufactured continuously it is preferable to perform heat treatment continuously over the entire length of the precursor sheet-shaped molded body 1 from the viewpoint of manufacturing cost.
  • the precursor sheet-like molded body 2 may be carbonized by a method of carbonizing by continuous temperature increase from room temperature, and is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher.
  • the carbonization treatment is preferably performed in a temperature range of 1000 ° C. or higher and 2400 ° C. or lower in an inert atmosphere.
  • An inert atmosphere refers to an atmosphere filled with a gas having low reactivity such as nitrogen or argon. From the viewpoint of manufacturing cost, it is preferable to carry out in this process in a nitrogen atmosphere.
  • the porous electrode base material is long, the productivity of the porous electrode base material will be high, and the subsequent manufacture of the membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY) can also be performed continuously. The manufacturing cost of the battery can be reduced. Moreover, it is preferable to wind up the manufactured porous electrode base material continuously from the viewpoint of productivity and manufacturing cost of the porous electrode base material and the fuel cell.
  • Step (6) Step of entanglement of the precursor sheet>
  • a precursor sheet having a structure in which the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) are entangled three-dimensionally can be formed.
  • the precursor sheet is entangled, A precursor sheet having a structure in which the carbon fiber (A), the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the carbon fiber precursor fiber (C) are entangled three-dimensionally can be formed.
  • the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) in the precursor sheet, or the carbon fiber (A), the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the carbon fiber precursor fiber (C) are entangled.
  • the entanglement process to be performed is not particularly limited by the method by which the entangled structure is formed.
  • mechanical entanglement method such as needle punching method, high pressure liquid injection method such as water jet punching method, high pressure gas injection method such as steam jet punching method
  • a method based on a combination of these can be used.
  • the high-pressure liquid injection method is preferable because breakage of the carbon fiber (A) in the entanglement process can be easily suppressed and moderate entanglement can be easily obtained.
  • this method will be described in detail.
  • a precursor sheet-like material is placed on a substantially smooth support member and, for example, a liquid columnar flow, a liquid fan-shaped flow, a liquid slit flow, or the like that is jetted at a pressure of 1 MPa is applied.
  • the carbon fiber (A) and the thermoplastic resin-containing fiber (B) in the precursor sheet, or the carbon fiber (A), the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the carbon fiber precursor fiber (C). Is a processing method for entanglement.
  • the support member having a substantially smooth surface is selected as necessary from the one in which the ejected liquid is quickly removed without being formed in the entangled structure body where the pattern of the support member can be obtained. Can be used. Specific examples thereof include 30-200 mesh wire nets, plastic nets or rolls.
  • a precursor sheet-like material having an entangled structure can be continuously produced by making a precursor sheet-like material on a substantially smooth support member and then performing a high-pressure liquid injection treatment.
  • the liquid used for the high-pressure liquid injection treatment may be anything other than a solvent that dissolves the fibers constituting the precursor sheet, but it is usually preferable to use water or warm water.
  • the hole diameter of each injection nozzle in the high-pressure liquid injection nozzle is preferably 0.06 mm or more and 1.0 mm or less, and more preferably 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the distance between the nozzle injection hole and the laminate is preferably 0.5 cm or more and 5 cm or less.
  • the pressure of the liquid is preferably 1 MPa or more, and more preferably 1.5 MPa or more.
  • the confounding process may be performed in a single row or in a plurality of rows. When performing in a plurality of rows, it is effective to increase the pressure of the high-pressure liquid jet processing in the second and subsequent rows rather than the first row.
  • the entanglement process by high pressure liquid injection of the precursor sheet may be repeated a plurality of times. That is, after the high pressure liquid injection treatment is performed on the precursor sheet material, the precursor sheet material may be further laminated and the high pressure liquid injection treatment may be performed. From the side, high-pressure liquid injection processing may be performed. These operations may be repeated.
  • a high density liquid injection nozzle having one or a plurality of rows of nozzle holes is vibrated in the width direction of the sheet, thereby forming a dense sheet structure in the sheet forming direction. It is possible to suppress the formation of a streak-like trajectory pattern derived from the formation of.
  • the mechanical strength in the sheet width direction can be expressed. Further, when a plurality of high-pressure liquid jet nozzles having one or a plurality of rows of nozzle holes are used, a confounding structure is provided by controlling the frequency and phase difference of the high-pressure liquid jet nozzles that vibrate in the sheet width direction. Periodic patterns appearing on the precursor sheet can also be suppressed.
  • Step of heat-treating the precursor sheet> The step (6) of entanglement treatment of the precursor sheet and the precursor sheet are heated and pressurized to melt the thermoplastic resin-containing fiber (B), and the thermoplastic resin-containing fiber (B) and carbon fiber (A).
  • the precursor sheet-like product can be heat-treated during the step (2) of obtaining a precursor sheet-like molded body 1 by fusing and molding. Thereby, the intensity
  • the heat treatment time can be, for example, 30 seconds to 24 hours.
  • the heat treatment method is not particularly limited, and direct heat treatment using a hot plate or a hot roll, heat treatment using a high-temperature hot air furnace or a far infrared heating furnace, and the like can be applied.
  • Heat treatment using a high-temperature hot-air furnace or a far-infrared heating furnace is preferable because adhesion of fibers constituting the precursor sheet can be suppressed.
  • the carbon fiber (A) that is one fiber constituting the porous electrode substrate can be entangled in the thickness direction in the precursor sheet and the porous electrode substrate.
  • the carbon fibers (A) include those obtained by cutting carbon fibers such as polyacrylonitrile-based carbon fibers (hereinafter referred to as “PAN-based carbon fibers”), pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers to an appropriate length. Can be mentioned. From the viewpoint of the mechanical strength of the porous electrode substrate, PAN-based carbon fibers are preferred.
  • the average fiber length of the carbon fiber (A) is preferably 2 to 12 mm from the viewpoint of dispersibility.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers (A) is preferably 3 to 20 ⁇ m from the viewpoint of production cost and dispersibility of short carbon fibers, and 4 to 18 ⁇ m from the viewpoint of smoothness of the porous electrode substrate. It is more preferable.
  • the average fiber diameter can be measured with an optical microscope and an electron microscope.
  • thermoplastic resin-containing fiber (B) refers to a fiber having 20% or more of a thermoplastic resin component.
  • raw materials having a thermoplastic resin component include vinyl chloride, vinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polystyrene, ABS resin, polymethyl methacrylate, polyphenylene oxide, polyurethane, cellulose, polyethylene, polypropylene, polybutylene terephthalate, polyethylene.
  • examples include terephthalate, nylon, rayon, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene sulfide, polyacrylonitrile, polyamide, polyethersulfone, polyphenylene ether, and polysulfone.
  • thermoplastic resin-containing fiber (B) a fiber composed of the raw material alone may be used, or a fiber composed of two or more kinds of raw materials including the raw material may be used.
  • fibers composed of two or more raw materials including a raw material having a thermoplastic resin component include fibers having a two-layer structure of a core and a sheath, and fibrillar fibers (E-2) having a sea-island structure to be described later. Can be mentioned.
  • At least one kind of thermoplastic resin-containing fiber (B) is essential for making the precursor sheet, but two or more kinds of thermoplastic resin-containing fibers (B) may be mixed.
  • the average fiber length of the thermoplastic resin-containing fiber (B) is preferably 2 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of dispersibility. The average fiber length can be measured with an optical microscope and an electron microscope.
  • the carbon fiber precursor fiber (C) can be obtained by cutting a carbon fiber precursor long fiber produced using a polymer (for example, an acrylic polymer) described later to an appropriate length.
  • the average fiber length of the carbon fiber precursor fiber (C) is preferably 2 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of dispersibility.
  • the average fiber length can be measured with an optical microscope and an electron microscope.
  • the cross-sectional shape of the carbon fiber precursor fiber (C) is not particularly limited, but from the viewpoint of mechanical strength after carbonization and production cost, those having high roundness are preferable.
  • the acrylic polymer used for the carbon fiber precursor fiber (C) may be a homopolymer of acrylonitrile or a copolymer of acrylonitrile and other monomers.
  • the monomer copolymerized with acrylonitrile is not particularly limited as long as it is an unsaturated monomer constituting a general acrylic fiber.
  • Methacrylic acid esters acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, itaconic acid, acrylamide, N-methylol acrylamide, diacetone acrylamide, styrene, vinyl toluene, vinyl acetate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinylidene bromide, vinyl fluoride, And vinylidene fluoride.
  • the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber (C) preferably has a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization process.
  • examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers.
  • an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile units in view of the large residual mass during carbonization.
  • the weight average molecular weight of the acrylonitrile-based polymer used for the carbon fiber precursor fiber (C) is not particularly limited, but is preferably 50,000 to 1,000,000.
  • the ratio of the remaining carbon fiber in the porous electrode substrate finally obtained can be adjusted by the mixing ratio of the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (C).
  • the carbon fiber precursor fiber (C) used in the present invention one having a fibril shape (fibril fiber (E)) may be used, or one having no fibril shape may be used.
  • the fibrillar fiber (E) is a fiber having fine hairs caused by fluff, and the fibrillar fiber (E) prevents refocusing of the carbon fiber (A) to be mixed and improves the strength of the sheet-like material. Can play a role. Some thermosetting resins may generate condensed water when the resin is cured, but the fibrillar fibers (E) can also be expected to absorb and discharge the water. Therefore, what is excellent also in the affinity with water is preferable. Specific examples of the fibrillar fiber (E) include fibrillated polyethylene fiber, acrylic fiber, aramid fiber, and cellulose fiber.
  • the fibril fiber (E) a fiber having a structure in which a large number of fibrils having a diameter of several ⁇ m or less (for example, 0.1 to 3 ⁇ m) are branched from a fiber trunk, or an easily splittable sea-island composite fiber is beaten. Fibrilized fibers can be used.
  • the carbon fibers (A) and the fibrillar fibers (E) are well entangled in the sheet-like material, and a sheet-like material having excellent mechanical strength can be obtained.
  • the freeness of the fibrillar fibers (E) is not particularly limited, the use of the fibrillar fibers (E) generally having a low freeness improves the mechanical strength of the sheet-like material. The gas permeability tends to decrease.
  • these two fibrillar fibers (E) will be referred to as fibers (E-1) and (E-2), respectively, and will be described in detail.
  • Fibrous fibers (E-1) having a structure in which many fibrils are branched The method for producing the fiber (E-1) is not particularly limited, but it is preferable to use an injection coagulation method in which the freeness can be easily controlled.
  • the fiber (E-1) produced by the jet coagulation method can be produced, for example, by the following method.
  • a spinning stock solution is prepared by dissolving an acrylonitrile-based copolymer in a solvent.
  • a solvent for example, dimethylamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide and the like can be used.
  • the spinning solution is passed through the spinning outlet and discharged into the mixing cell.
  • water vapor is ejected into the mixing cell at an angle of 0 degree or more and less than 90 degrees with respect to the discharging line direction of the spinning solution.
  • the acrylonitrile copolymer is solidified under a shear flow rate.
  • the formed solidified body is discharged together with the solvent and water vapor from the mixing cell into the coagulating liquid, whereby the fiber (E-1) is obtained.
  • the fiber (E-1) As the coagulation liquid, water or a mixed liquid of water and the solvent can be used.
  • the fiber (E-1) thus obtained has a fibril part in which fibers having a small fiber diameter gather and a core part (stem) having a thick fiber diameter solidified without much contact with water vapor.
  • the fibril part of the fiber (E-1) has good entanglement with the fibril parts of the carbon fiber (A) and the fiber (E-1), and the core part of the fiber (E-1) exhibits strength as a binder. be able to.
  • the fiber diameter of the fibril part of the fiber (E-1) is preferably 2 ⁇ m or less in order to improve the entanglement with the carbon fiber (A) to be mixed.
  • the core part preferably has a diameter of 100 ⁇ m or less from the viewpoint of homogenization of the porous electrode substrate. By making the diameter 100 ⁇ m or less, uneven distribution of the fibers (E-1) can be easily suppressed, and the carbon fibers (A) can be easily bound by a relatively small amount of fibers (E-1). . Moreover, it is preferable that the diameter of a core part is 10 micrometers or more from a viewpoint of expressing strength. From the viewpoint of the function of the fiber (E-1) to be entangled with the carbon fiber (A), it is preferable that a plurality of fibril parts of the fiber (E-1) exist with respect to one core part. It is considered that the more fibril parts, the better.
  • the thickness of the core is constant or changes steplessly.
  • the fiber (E-1) it is possible to easily prevent the stepped portion from becoming weak due to the stepwise change in the thickness of the core portion, and to easily prevent the strength from being lowered. Can do.
  • the fiber (E-1) is produced by the above method, it may be difficult to keep the thickness of the core portion constant due to random scattering of water vapor, and the thickness of the core portion may change. is there.
  • the core portion can be obtained by increasing the water vapor ejection pressure and temperature. Can be easily prevented from changing in steps.
  • the fiber (E-2) is obtained by beating a long fiber easily split split sea-island composite fiber into an appropriate length and beating it with a refiner, a pulper, or the like.
  • Long-fiber easily splittable sea-island composite fibers can be produced using two or more different types of polymers that dissolve in a common solvent and are incompatible.
  • the residual mass in the carbonization treatment step is preferably 20% by mass or more.
  • the polymers used for the easily splittable sea-island composite fibers those having a residual mass in the carbonization treatment step of 20% by mass or more include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers. Among them, it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of an acrylonitrile unit from the viewpoint of spinnability and the remaining mass in the carbonization treatment step.
  • one of the polymers used for the easily splittable sea-island composite fiber is a polymer having a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization treatment step
  • the above-mentioned acrylic polymer is used as the other polymer. It is desirable that a spinning dope that dissolves in the same solvent as the acrylic polymer and dissolves both polymers stably exists. That is, it is desirable that the other polymer is incompatible with the acrylic polymer when dissolved in the same solvent as the acrylic polymer, and has a miscibility enough to form a sea-island structure during spinning. It is.
  • the splittable sea-island composite fiber used for the fiber (E-2) can be produced by a normal wet spinning method. First, a spinning stock solution is prepared by dissolving an acrylic polymer and another polymer in a solvent.
  • a spinning stock solution obtained by dissolving an acrylic polymer in a solvent and a spinning stock solution obtained by dissolving another polymer in a solvent may be mixed with a static mixer or the like to obtain a spinning stock solution.
  • a solvent dimethylamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like can be used.
  • An easily split fiber sea-island composite fiber can be obtained by supplying these spinning stock solutions to a spinning machine, spinning from a nozzle, and performing wet heat drawing, washing, drying and dry heat drawing.
  • the cross-sectional shape of the easily splittable sea-island composite fiber is not particularly limited.
  • the fineness of the easily split sea-island composite fiber is preferably 1 dtex or more and 10 dtex or less.
  • the average fiber length of the splittable sea-island composite fiber is preferably 1 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of dispersibility after beating.
  • the easily splittable sea-island composite fiber is beaten by peeling of the phase separation interface by a mechanical external force, and at least a part thereof is split and fibrillated.
  • the beating method is not particularly limited, and for example, fibrillation can be performed by a refiner, a pulper, a beater, or a jet of pressurized water (water jet punching).
  • fibrillation can be performed by a refiner, a pulper, a beater, or a jet of pressurized water (water jet punching).
  • a splittable sea-island composite fiber by mechanical external force by peeling of the phase separation interface
  • the fibrillation state changes depending on the beating method and beating time.
  • freeness evaluation JIS P8121 (pulp freeness test method: Canadian standard type)
  • the freeness of the fiber (E-2) is not particularly limited.
  • thermosetting resin used in the present invention examples include a phenol resin, a furan resin, and an epoxy resin. From the viewpoint of cost, residual carbon efficiency, and handleability, a water-soluble phenol resin and / or water dispersibility is used. Phenol resin is preferred.
  • Water-soluble phenolic resin As the water-soluble phenol resin used in the present invention, a known water-soluble phenol resin such as a resol-type phenol resin having good water solubility described in JP-A-2009-84382 can be used. Specifically, DIC Corporation trade name: Phenolite GG-1402, Gunei Chemical Co., Ltd. trade names: Resitop PL-5634, PL-6781, and Sumitomo Bakelite Co., Ltd. Names: Sumilite Resins PR-50781, PR-9800D, PR-55386, PR-50607B, and trade names manufactured by Showa Denko K.K .: Shonor BRL-1583, BRL-120Z, BRL-2854, and the like.
  • the water-soluble phenol resin tends to bind the carbon fiber (A) at the stage of carbonization and remains as a conductive substance, as in the case of a general phenol resin using methanol or methyl ethyl ketone as a solvent.
  • the water-soluble phenol resin As a form of obtaining the water-soluble phenol resin, it is preferable to use a commercially available product in the form of an aqueous solution from the viewpoint of handleability and manufacturing cost.
  • Commercially available water-soluble phenolic resins have fewer organic solvents and unreacted monomers that remain without being removed at the time of manufacture than general phenolic resins. That is, since there are few organic solvents and unreacted monomers that volatilize during the drying process and the heating and pressurizing process, the manufacturing cost can be reduced, for example, the exhaust equipment can be simplified.
  • the water-dispersible phenol resin used in the present invention is, for example, a resol-type phenol resin emulsion disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-307815, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-56960, etc., or a known water dispersion called water-based dispersion.
  • -Based phenolic resin can be used.
  • trade names of DIC Corporation Phenolite TD-4304, PE-602, Sumitomo Bakelite Co., Ltd. trade names: Sumilite Resin PR-14170, PR-55464, Showa Denko ( Trade name: Shounol BRE-174, etc.
  • the water-dispersible phenol resin tends to bind the carbon fiber (A) at the stage of carbonization and remains as a conductive substance, as in the case of a general phenol resin using methanol or methyl ethyl ketone as a solvent.
  • the water-dispersible phenol resin As a form of obtaining the water-dispersible phenol resin, it is preferable to use an aqueous dispersion or a granular form that is easy to procure a commercially available product from the viewpoints of handleability and manufacturing cost.
  • Commercially available water-dispersible phenolic resins have fewer organic solvents and unreacted monomers that remain without being removed at the time of manufacture than general phenolic resins. That is, since there are few organic solvents and unreacted monomers that volatilize during the drying process and the heating and pressurizing process, the manufacturing cost can be reduced, for example, the exhaust equipment can be simplified.
  • thermosetting resin used in the above-described resin addition step (3) is preferably in the form of a dispersed liquid or an aqueous solution from the viewpoint of permeability to the sheet.
  • concentration of the solid content of the thermosetting resin in the dispersion or in the aqueous solution is preferably 1% by mass or more from the viewpoint of the strength of the porous electrode substrate and the development of conductivity, and the dispersion having a low viscosity and high permeability. Therefore, 50% by mass or less is preferable.
  • a medium for diluting or dispersing the obtained thermosetting resin it is preferable to use water, alcohol or a mixture thereof from the viewpoints of handleability and production cost.
  • Carbon powder (D) may be added to the thermosetting resin for the purpose of improving the sheet strength and reducing the electric resistance value.
  • a single carbon powder (D) may be used, or a plurality of different types of carbon powder may be used in combination.
  • Carbon powder (D) As the carbon powder (D), it is preferable to use graphite powder, carbon black, milled fiber, or a mixture thereof from the viewpoint of reducing the electric resistance value.
  • Graphite powder has a highly crystalline graphite structure, and the average particle size of primary particles is generally several micrometers to several hundred micrometers.
  • pyrolytic graphite, spherical graphite, scaly graphite, massive graphite, earth graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc. can be used, but from the viewpoint of conductivity development, pyrolytic graphite, spherical graphite or Scaly graphite is preferred.
  • Carbon black generally exists as a structure (agglomerate) in which primary particles having an average particle size of several tens of nanometers are fused together to form a structure, and the structures are bonded by van der Waals force. Carbon black has a significantly larger number of particles per unit mass than graphite powder, and agglomerates form a three-dimensional network at a certain critical concentration or more to form a macroscopic conductive path.
  • carbon black for example black, channel black, acetylene black, lamp black, thermal black, ketjen black and the like can be used, and acetylene black or ketjen black having excellent electrical conductivity is preferable.
  • Milled fiber may be produced by pulverizing virgin carbon fiber, or manufactured from recycled products such as carbon fiber reinforced thermosetting resin molded products, carbon fiber reinforced thermoplastic resin molded products, and prepregs. May be used.
  • the porous electrode substrate of the present invention can be suitably used for a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell.
  • the membrane-electrode assembly using the porous electrode substrate of the present invention can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell.
  • Gas permeability (mL / hr / cm 2 / Pa) gas permeation amount (mL) / permeation time (hr) / permeation pore area (cm 2 ) / permeation pressure (Pa).
  • SV201NA universal testing machine
  • test piece (porous electrode substrate) measuring 80 mm in length and 10 mm in width so that the long side of the test piece is parallel to the longitudinal direction of the porous electrode substrate obtained from the step (5).
  • a test piece was set on the lower part of the three-point bending test jig (distance between fulcrums: 20 mm).
  • tool for 3-point bending tests was dropped, and the load was applied to the test piece located in the center part between fulcrums.
  • the test piece broke it was stopped immediately, the value of the bending stress at the time of breaking was read, and the bending strength was determined from the value by the following formula.
  • Bending strength (MPa) 1.5 ⁇ bending stress (N) ⁇ distance between fulcrums (mm) / lateral distance (mm) / (test specimen thickness) 2 (mm 2 ) (5) 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa, 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa (after application of 3 MPa pressure), thickness when 3 MPa pressure is applied
  • the thickness of the porous electrode substrate is determined by a micro-autograph small test piece compression test apparatus. (Trade name: MST-I, manufactured by Shimadzu Corporation) was used for measurement as follows.
  • the load rod was lowered at a stroke speed of 0.4 mm / min without interposing anything between the upper platen (fixed type) with a diameter of 50 mm and the lower platen (ball seat type) with a diameter of 50 mm. .
  • the stroke of the load rod was immediately stopped, and the values of the three inter-platen displacement meters were all set to zero.
  • a test piece (porous electrode substrate) having a diameter of 25 mm was placed between the upper platen and the lower platen, and the load rod was lowered at a stroke speed of 0.4 mm / min.
  • the average value was defined as 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa, 5 ⁇ 10 ⁇ 2 MPa (after applying a pressure of 3 MPa), and thickness when a pressure of 3 MPa was applied.
  • (6) Electrical resistance value when pressure of 3 MPa is applied The electrical resistance value in the thickness direction of the porous electrode substrate (through-direction resistance) is 3 MPa from the top and bottom of the copper plate with the porous electrode substrate sandwiched between the gold-plated copper plates.
  • Example 1 As the carbon fiber (A), a PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 ⁇ m and an average fiber length of 3 mm was prepared.
  • thermoplastic resin-containing fiber (B) an easily splittable acrylic sea-island composite short fiber (Mitsubishi, Ltd.) fibrillated by beating a splittable sea-island composite fiber composed of an acrylic polymer and methyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA methyl methacrylate
  • a product of Rayon Co., Ltd., trade name: Bonnell MVP-C300, average fiber length: 3 mm) was prepared.
  • acrylic short fiber Mitsubishi Rayon Co., Ltd. make, brand name: H100, average fiber length: 5 mm
  • C carbon fiber precursor fiber
  • the sheet-like material was made and the entangled structure sheet-like material was produced.
  • (1) Disaggregation of carbon fiber (A) The carbon fiber (A) is dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), and a disk refiner (manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd.) Through disintegration treatment, a disaggregation slurry fiber (SA) was obtained.
  • thermoplastic resin-containing fiber B
  • the thermoplastic resin-containing fiber (B) is dispersed in water so that the fiber concentration becomes 1% (10 g / L), and a disc refiner (Kumaya) Beating and disaggregating treatment was performed through Riki Kogyo Co., Ltd. to obtain disaggregated slurry fibers (SB).
  • a disc refiner Kumaya
  • Beating and disaggregating treatment was performed through Riki Kogyo Co., Ltd. to obtain disaggregated slurry fibers (SB).
  • Disaggregation of carbon fiber precursor fiber C
  • the carbon fiber precursor fiber (C) is dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L).
  • the product was disaggregated through Kogyo Co., Ltd. to obtain a disaggregated slurry fiber (SC).
  • Carbon fiber (A), thermoplastic resin-containing fiber (B) and carbon fiber precursor fiber (C) are in a mass ratio of 60:20:20, and the concentration of fibers in the slurry.
  • disaggregation slurry fiber (SA), disaggregation slurry fiber (SB), disaggregation slurry fiber (SC), and dilution water were measured so that it might become 0.8 g / L, and it prepared in the slurry supply tank.
  • polyacrylamide was added to prepare a papermaking slurry having a viscosity of 22 mPa ⁇ s (centipoise).
  • Precursor Sheet Material Sheet drive unit and slurry supply unit comprising net drive unit and net 60m x 585cm plastic net plain woven mesh connected to belt and continuously rotated
  • a papermaking slurry supply device having a width of 48 cm and a processing device comprising a vacuum dehydration device arranged at the bottom of the net were used.
  • the papermaking slurry was supplied onto the plain weave mesh by a metering pump.
  • the papermaking slurry was supplied after being widened to a predetermined size through a flow box for rectification into a uniform flow. Thereafter, it passed through a portion to be naturally dehydrated and dehydrated with a vacuum dehydrator to obtain a precursor sheet.
  • a pressurized water jet treatment device provided with the following three water jet nozzles (nozzles 1 to 3) is disposed downstream of the treatment device.
  • Nozzle 1 hole diameter ⁇ (diameter) 0.15 mm ⁇ 501 holes, pitch in the width direction hole 1 mm (1001 holes / width 1 m), one row arrangement, nozzle effective width 500 mm.
  • Nozzle 2 hole diameter ⁇ 0.15 mm ⁇ 501 holes, pitch in the width direction hole 1 mm (1001 holes / width 1 m), one row arrangement, nozzle effective width 500 mm.
  • Nozzle 3 hole diameter ⁇ 0.15 mm ⁇ 1002 holes, width-direction hole pitch 1.5 mm, three rows, row pitch 5 mm, nozzle effective width 500 mm.
  • the precursor sheet was loaded on the net of the pressurized water jet treatment apparatus.
  • the wet water web was passed through nozzle 1, nozzle 2, and nozzle 3 in this order, and the entanglement process was performed with the pressurized water jet pressure set to 1 MPa (nozzle 1), pressure 2 MPa (nozzle 2), and pressure 3 MPa (nozzle 3). .
  • Heat treatment of the entangled precursor sheet The precursor sheet after the entanglement treatment is heated to 120 ° C. for about 3 minutes using a heat calender roll machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.).
  • thermosetting resin additive, drying, and curing treatment of thermosetting resin
  • a resol type phenol resin aqueous solution manufactured by DIC Corporation, trade name: Phenolite GG-1402
  • graphite powder Ito Graphite Industries Co., Ltd., trade name: scale-like graphite Z-5F
  • resin graphite is added so that the total solid content in the aqueous solution is 70% resin solids and 30% graphite solids.
  • a liquid was prepared.
  • the precursor sheet-like molded body 1 was impregnated with this resin graphite additive liquid, water in the sheet was dried using an IR heat treatment furnace (manufactured by NGK Co., Ltd.), and the resin in the sheet was further cured. As a result, a precursor sheet-like molded body 2 to which 47% by mass of resin graphite solid content was attached to the basis weight of the precursor sheet-like molded body 1 was obtained.
  • Carbonization treatment The precursor sheet-like molded body 2 was carbonized at 2000 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere to obtain a porous carbon electrode substrate.
  • the obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 2 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points. -The point which obtained the precursor sheet-like material of 50 g / m ⁇ 2 > at the time of papermaking. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 which 51 mass% resin graphite solid content adhered to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1.
  • the obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 3 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points. A point that a 42 g / m 2 precursor sheet was obtained during papermaking. ⁇ Resol type phenol resin aqueous solution (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd., trade name: Sumilite Resin PR-55464) as thermosetting resin, graphite powder (product of Ito Graphite Industries Co., Ltd., trade name: pyrolytic graphite) as carbon powder PC-H) is used. -The point which produced the resin graphite addition liquid so that it might become resin solid content ratio 80% and graphite solid content ratio 20% among the total solids in aqueous solution.
  • the obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 4 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points. -The point which obtained 39 g / m ⁇ 2 > precursor sheet-like material at the time of papermaking. -A resol type phenol resin aqueous solution (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd., trade name: Sumilite Resin PR-55464) was used as a thermosetting resin. -The point which produced the resin graphite addition liquid so that it might become resin solid content ratio 80% and graphite solid content ratio 20% among the total solids in aqueous solution.
  • the obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 5 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points. A point that a precursor sheet of 44 g / m 2 was obtained during paper making. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 to which 55 mass% resin graphite solid content adhered with respect to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1. The obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 6 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points. A point that a precursor sheet of 44 g / m 2 was obtained during paper making. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 which 43 mass% resin graphite solid content adhered to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1. The obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 7 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points. -The point which obtained 43 g / m ⁇ 2 > precursor sheet-like material at the time of papermaking. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 to which 72 mass% resin graphite solid content adhered with respect to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1.
  • the obtained porous electrode base material was almost free from breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, and had good handling properties, gas gas permeability, and penetration direction resistance.
  • Example 1 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points. A point that a precursor sheet of 44 g / m 2 was obtained during paper making. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 which 66 mass% resin graphite solid content adhered to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1. The obtained porous electrode substrate had almost no breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, but had a bulk density of 2.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or more.
  • Example 2 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points. -The point which obtained 43 g / m ⁇ 2 > precursor sheet-like material at the time of papermaking. -The point which obtained the precursor sheet-like molded object 2 which 75 mass% resin graphite solid content adhered to the basis weight of the precursor sheet-like molded object 1.
  • the obtained porous electrode substrate had almost no breakage of short carbon fibers and in-plane shrinkage during carbonization treatment, but had a bulk density of 2.0 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 or more.
  • Example 3 A porous electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points. -The point which obtained the precursor sheet-like material of 50 g / m ⁇ 2 > at the time of papermaking. -Addition of thermosetting resin, drying and curing are not performed. The obtained porous electrode substrate had low bending strength and was difficult to handle due to the breakage of carbon fibers and carbonized resin.
  • Example 4 A porous electrode substrate having a bulk density of 1.6 ⁇ 10 ⁇ 1 g / cm 3 was produced by the production method described in International Publication No. 2010/102195. The obtained porous electrode substrate had low bending strength and was difficult to handle due to the breakage of carbon fibers and carbonized resin. Next, the porous electrode substrate obtained in Example 7 and Comparative Examples 1 and 2 was cut into 5 cm square, and a commercially available PTFE aqueous solution (Mitsui / DuPont Fluoro Chemical Co., Ltd.) was washed with water.
  • a commercially available PTFE aqueous solution Mitsubishi Chemical Co., Ltd.
  • FIG. 1 shows the power generation characteristics of the cell stack when power is generated at 60 ° C. using hydrogen for the anode and air for the cathode.
  • the symbol ( ⁇ ) indicates the power generation characteristics of the cell stack A
  • the symbol ( ⁇ ) indicates the power generation characteristics of the cell stack B
  • the symbol ( ⁇ ) indicates the power generation characteristics of the cell stack C.
  • the cell stack A has a higher output voltage than the cell stack B and cell stack C, particularly in the high current density region. This is because, in the carbon electrode base materials of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the gas diffusibility is hindered by the retention of water generated by the electrochemical reaction, whereas a decrease in output is seen in the high current density region.
  • water retention due to electrochemical reaction is unlikely to occur due to the low bulk density, and gas diffusibility is also good, so particularly in the high current density region. It is considered that good power generation characteristics were exhibited.
  • the porous electrode substrate according to the present invention is obtained by mixing a thermoplastic resin-containing fiber at the time of making a sheet-like material, and performing “heat-pressing treatment” from “sheet-like material making”, followed by “thermosetting resin addition”. Manufactured in the order of “carbonization by high-temperature firing”. By not performing the heat and pressure treatment after adding the thermosetting resin, the thermosetting resin adheres evenly in the in-plane direction and in the direction perpendicular to the surface.
  • a porous electrode substrate having a bulk density can be provided.
  • a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell including the porous electrode substrate can be provided.

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Abstract

　従来では作製困難なハンドリング性、ガス透過性が良い、低嵩密度化した多孔質電極基材を提供することが求められていた。炭素繊維（Ａ）が炭化物により接合された構造を有する多孔質電極基材であって、１．５×１０-1ＭＰａの圧力加印時の嵩密度が１．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下、曲げ強度が１０ＭＰａ以上である、多孔質電極基材。

Description

多孔質電極基材およびその製造方法
　本発明は、燃料電池に用いられる多孔質電極基材の製造方法、その製造方法で製造された多孔質電極基材、この多孔質電極基材を含む膜－電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。
　本願は、２０１５年４月２日に、日本出願された特願２０１５－０７５６７２号及び、２０１６年２月１６日に、日本出願された特願２０１６－０２６６３１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　固体高分子型燃料電池は、一般的に、セパレーター、電解質膜、触媒層、そして、多孔質電極基材により構成される。その中で多孔質電極基材は、主に以下の役割をもつ。第一に多孔質電極基材の外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路から、触媒層中の貴金属系触媒へ、極力均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第二に触媒層で反応により生成した水を排出する機能である。第三に触媒層での反応に必要な電子または生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。したがって、多孔質電極基材には、反応ガスおよび酸化ガス透過性、水の排出性、および電子導電性に優れることが望まれ、これらを高めることで、発電性能の向上が期待される。
　製造コストが低く、かつ、高ガス透過性および電子導電性を付与するため、炭素繊維を抄造後、水溶性フェノール樹脂及び水分散性フェノール樹脂のうちの一方または両方を添加し、連続的な加熱加圧処理による成型を行い、さらに高温で焼成して炭素化させることにより製造された多孔質電極基材が提案されている（特許文献１参照）。
　同様に、炭素繊維を抄造後、フェノール樹脂を添加し、上下の熱板による加熱加圧処理を行い、さらに高温で焼成して炭素化させることにより製造された多孔質電極基材が提案されている（特許文献２参照）。
国際公開２０１０／１０２１９５号 国際公開２０１４／１２６００２号
　多孔質電極基材のガス透過性を高める手法として、多孔質電極基材の低嵩密度化が挙げられる。特許文献１、特許文献２、共にフェノール樹脂を添加後に加熱加圧処理を行っているが、この手順では、一般的に加熱加圧処理の際に樹脂が面内方向へ広がりやすく、面直方向へ広がりにくい。従来のように多孔質電極基材を高嵩密度化した場合は、面内方向と面直方向の繊維間距離が短いため、樹脂付着方向に偏りが生じても、面内方向と面直方向の繊維間接着は容易であり、結果としてハンドリング良好な多孔質電極基材が得られる。一方で、多孔質電極基材を低嵩密度化した場合は、面内方向と面直方向の繊維間距離が長いため、樹脂による面内方向と面直方向の繊維間接着は困難となり、結果としてハンドリングが困難な多孔質電極基材が得られる。
　本発明は、従来とは異なる製法で多孔質電極基材を作製することで、従来では作製困難なハンドリング性、ガス透過性が良い、低嵩密度化した多孔質電極基材を提供することを目的とする。
　本発明の要旨は、以下の［１］～［１４］に存する。
　［１］　炭素繊維（Ａ）が炭化物により接合された構造を有する多孔質電極基材であって、１．５×１０-1ＭＰａの圧力加印時の嵩密度が１．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下、曲げ強度が１０ＭＰａ以上である、多孔質電極基材。
　［２］　１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時の厚みが５０μｍ以上５００μｍ以下である、上記［１］に記載の多孔質電極基材。
　［３］　厚さ方向の通気度が、５００ｍｌ／ｃｍ2／ｈｒ／Ｐａ以上である、上記［１］または［２］に記載の多孔質電極基材。
　［４］　３ＭＰａの圧力印加時の厚みが、５．０×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの１０％以上７０％以下である、上記［１］から［３］のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
　［５］　３ＭＰａの圧力印加後、５．０×１０-2ＭＰａまで除圧した際の厚みが、３ＭＰａ加圧印加前の５．０×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの４０％以上９５％以下である、上記［１］から［４］のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
　［６］　３ＭＰａの圧力印加時の厚さ方向の電気抵抗値が１．０ｍΩ・ｃｍ2以上、１０．０ｍΩ・ｃｍ2以下である、上記［１］から［５］のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
　［７］　上記［１］から［６］いずれか一項に記載の多孔質電極基材を含む膜－電極接合体。
　［８］　上記［７］に記載の膜－電極接合体を含む固体高分子型燃料電池。
　［９］　以下の工程（１）～（５）の順で製造する、多孔質電極基材の製造方法。
　工程（１）：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）が分散した前駆体シート状物を製造する工程、
　工程（２）：前記前駆体シート状物を加熱加圧し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶かして、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維（Ａ）とを融着して成形処理し、前駆体シート状成形体１を得る工程、
　工程（３）：得られた前駆体シート状成形体１に、熱硬化性樹脂を添加する工程、
　工程（４）：熱硬化性樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る工程、
　工程（５）：得られた前駆体シート状成形体２を１０００℃以上の温度で炭素化処理して多孔質電極基材を得る工程。
　［１０］　工程（４）において、樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶融して前記前駆体シート状成形体１の厚みを増しつつ含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る、上記［９］に記載の製造方法。
　［１１］　前記工程（１）において、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ） と共に、更に炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）が分散した前駆体シート状物を製造する、上記［９］または［１０］に記載の製造方法。
　［１２］　前記工程（１）において炭素粉（Ｄ）を添加する、上記［９］から［１１］のいずれか一項に記載の製造方法。
　［１３］　前記工程（３）において、熱硬化性樹脂とともに炭素粉（Ｄ）を添加する、上記［９］から［１２］のいずれか一項に記載の製造方法。
　［１４］　前記熱硬化性樹脂が、水溶性フェノール樹脂および／または水分散性フェノール樹脂である、上記［９］から［１３］のいずれか一項に記載の製造方法。
　本発明による多孔質電極基材は、従来の「シート状物抄造」から「熱硬化性樹脂添加」をして、その後「加熱加圧処理」を経て「高温焼成による炭素化」による製造方法とは異なり、シート状物抄造時に熱可塑性樹脂含有繊維を混合することで、「シート状物抄造」から「加熱加圧処理」をして、その後「熱硬化性樹脂添加」を経て「高温焼成による炭素化」の順で製造される。熱硬化性樹脂添加後に加熱加圧処理を実施しないことで、熱硬化性樹脂が面内方向と面直方向とで均等に付着し、従来では作製困難なハンドリング性、ガス透過性が良い、低嵩密度化した多孔質電極基材を提供することができる。また、この多孔質電極基材を含む膜－電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することができる。
アノードに水素を、カソードに空気を用いて６０℃にて発電した場合の、実施例及び比較例のセルスタックの発電特性を示すグラフである。
　＜＜多孔質電極基材＞＞
　本発明により得られる多孔質電極基材は、炭素繊維（Ａ）が炭化物により接合された構造を有する。また、多孔質電極基材中で炭素繊維（Ａ）は３次元交絡構造を形成している。多孔質電極基材の形状は、燃料電池の分野で公知の形状から必要に応じて選択することができ、たとえば、平板状、渦巻き状等の形状をとることができる。
　本発明の多孔質電極基材を構成する炭素繊維（Ａ）としては、後述の多孔質電極基材の製造方法に関する説明にて挙げるものが挙げられる。
　また、炭素繊維（Ａ）を接合する炭化物としては、高分子化合物を原料とし１０００℃以上の高温で炭化することで得られるガラス状炭化物、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を原料とし１０００℃以上の高温で炭化することで得られる繊維状炭化物が挙げられる。炭化物の形状は特に限定されず、炭素繊維（Ａ）をガラス状炭化物で接合してもよく、炭素繊維（Ａ）を繊維状炭化物で接合しても良く、さらにこれらの組み合わせを用いることもできる。
　本発明における「炭素繊維（Ａ）が炭化物により接合された構造」とは、炭素繊維（Ａ）同士が炭化物により接合された構造を示し、炭素繊維（Ａ）同士の接点部分に炭化物が接合してもよく、炭素繊維（Ａ）同士を繋ぐように炭化物が接合してもよく、さらにこれらの組み合わせでもよい。
　また本発明における３次元交絡構造とは、多孔質電極基材の水平面に対し炭素繊維（Ａ）が垂直面に平均３°以上、または、最大値が１０°以上の角度で存在する構造を示す。測定方法の詳細は、国際公開第２０１２／０６０２５８号の通りである。
　本発明の多孔質電極基材は、１．５×１０-1ＭＰａの圧力加印時の嵩密度が１．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下、曲げ強度が１０ＭＰａ以上である。当該嵩密度が低すぎるとハンドリングが困難であり、好ましくは１．１×１０-1ｇ／ｃｍ3以上である。また、当該嵩密度が高すぎるとガス透過性が悪化するため、好ましくは２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下である。更に好ましくは、１．２×１０-1ｇ／ｃｍ3以上、２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下である。
　また、本発明の多孔質電極基材は、１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時の厚みが５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。厚みが薄すぎるとハンドリングが困難であり、より好ましくは６０μｍ以上である。また、厚みが厚すぎるとロール巻きが困難であり、より好ましくは４５０μｍ以下である。更に好ましくは、８０μｍ以上、４００μｍ以下である。
　また、本発明の多孔質電極基材は、厚さ方向の通気度が、５００ｍｌ／ｃｍ2／ｈｒ／Ｐａ以上であることが好ましい。通気度が低すぎると燃料ガスまたは酸化ガスの拡散性が悪化するため、より好ましくは６００ｍｌ／ｃｍ2／ｈｒ／Ｐａ以上である。通気度の上限は特にないが、電解質膜の乾燥を防ぐ観点から３０００ｍｌ／ｃｍ2／ｈｒ／Ｐａ以下であることが好ましい。
　また、本発明の多孔質電極基材は、３ＭＰａの圧力印加時の厚みが、５×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの１０％以上７０％以下であることが好ましい。この値が低すぎるとセパレーターのガス流路へのたわみ量が増加するため、より好ましくは２０％以上である。また、この値が高すぎると燃料電池を組む際に他部材の厚み精度を吸収するのが困難になるため、より好ましくは６０％以下である。
　また、上記多孔質電極基材は、３ＭＰａの圧力印加後、５×１０-2ＭＰａまで除圧した際の厚みが、３ＭＰａ加圧印加前の５×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの４０％以上９５％以下であることが好ましい。この値が低すぎると圧縮時の機械的破壊が懸念されるため、より好ましくは４０％以上である。また、この値に上限はないが、より好ましくは９５％以下である。
　また、本発明の多孔質電極基材は、３ＭＰａの圧力印加時の厚さ方向の電気抵抗値が１．００ｍΩ・ｃｍ2以上、１０．００ｍΩ・ｃｍ2以下であることが好ましい。当該電気抵抗値に下限はないが、より好ましくは１．００ｍΩ・ｃｍ2以上である。また、この値が高すぎると電極触媒で生じた電子の集電効率が悪化するため、より好ましくは１０．００ｍΩ・ｃｍ2以下である。
　多孔質電極基材の１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時の厚み、嵩密度、厚さ方向の通気度、曲げ強度、５×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚み、３ＭＰａの圧力印加時の厚み、厚さ方向の電気抵抗値、及び、３ＭＰａの圧力印加後に測定した５×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの測定方法は、実施例の欄で後述する。
　＜＜多孔質電極基材の製造方法＞＞
　前述の多孔質電極基材は、以下の工程（１）～（５）の順で製造することにより作製できる。
　工程（１）：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）が分散した前駆体シート状物を製造する工程。
　工程（２）：前記前駆体シート状物を加熱加圧し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶かして、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維（Ａ）とを融着して成形処理し、前駆体シート状成形体１を得る工程。
　工程（３）：得られた前駆体シート状成形体１に、熱硬化性樹脂を添加する工程。
　工程（４）：熱硬化性樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る工程。
　工程（５）：得られた前駆体シート状成形体２を１０００℃以上の温度で炭素化処理して多孔質電極基材を得る工程。
　前記工程（１）における前駆体シート状物が、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）に加えて更に炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を含むことができる。
　前記工程（１）と前記工程（２）の間に、前駆体シート状物を交絡処理する工程（６）を含むことができる。
　更に、前記工程（６）と前記工程（２）の間に、前駆体シート状物を加熱処理する工程（７）を含むことができる。
　＜工程（１）：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）が分散した前駆体シート状物を製造する工程＞
　例えば、炭素繊維（Ａ）と、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を分散させ、次いでシート化して前駆体シート状物を抄造すればよい。前駆体シート状物の抄造には、炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と共に炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を分散させることが好ましく、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）が絡み合うことで前駆体シート状物の強度を向上することができる。即ち、前駆体シート状物は、炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）からなることもできるし、炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）とからなることもできる。
　前駆体シート状物を抄造するにあたっては、液体の媒体中に、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を分散させて抄造する湿式法、空気中に、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を分散させて降り積もらせる乾式法などの抄紙方法を適用できる。前駆体シート状物の強度や繊維分散の均一性の観点から、好ましくは湿式法である。
　炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を混合する方法としては、水中で攪拌分散させる方法、これらを直接混ぜ込む方法が挙げられるが、均一に分散させる観点から、水中で拡散分散させる方法が好ましい。炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を混合し、抄紙して前駆体シート状物を製造することにより、前駆体シート状物の強度が向上する。また、抄造途中で、前駆体シート状物から炭素繊維（Ａ）が剥離し、炭素繊維（Ａ）の配向が変化することを防止することができる。
　炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）等の繊維状物を分散させる媒体としては、例えば、水、アルコールなど、これらの繊維状物が溶解しない媒体が挙げられるが、生産性の観点から、水が好ましい。
　前駆体シート状物は、連続法とバッチ法のいずれによっても抄造できるが、前駆体シート状物の生産性および機械的強度の観点から、連続法で抄造することが好ましい。前駆体シート状物の目付は、１０～２００ｇ／ｍ2程度であることが好ましい。また、前駆体シート状物の厚みは、５０～５００μｍ程度であることが好ましい。
　＜工程（２）：前記前駆体シート状物を加熱加圧し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶かして、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維（Ａ）とを融着して成形処理し、前駆体シート状成形体１を得る工程＞
　加熱加圧処理には、一般的に、前駆体シート状物を連続的に加熱加圧成型できるロールプレス装置や、連続ベルトプレス装置が用いられるが、本発明では、ロール対を一対以上有する連続式加熱ロールプレス装置を用いることが好ましい。
　加熱加圧処理における加熱温度は、前駆体シート状物内での炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）および炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の間での融着を促進するために、８０～２５０℃が好ましく、１００～２００℃がより好ましい。
　加熱加圧処理における処理速度は、前駆体シート状物内での炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）および炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の間での融着が十分に進行するために、１～１５ｍ／ｍｉｎが好ましく、３～９ｍ／ｍｉｎがより好ましい。
　前駆体シート状物の加熱加圧処理は、１０ｋｇ／ｃｍ以上、３００ｋｇ／ｃｍ以下の線圧で加圧することが好ましい。ロール間の線圧を１０ｋｇ／ｃｍ以上とすることで、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の間での融着を容易に進行させることができる。３００ｋｇ／ｃｍ以下とすることで、加熱加圧成型時の炭素繊維（Ａ）の破断を容易に抑制できる。加熱加圧成型を連続で行うことにより、炭素化処理も連続で行うことができる。
　前駆体シート状物の厚みは、加熱温度、処理速度、線圧の制御の他に、ロール間のクリアランス制御によって調整できる。前駆体シート状物の厚み調整のために、クリアランスを設定して成型を行ってもよいし、クリアランスを設定せずに押切で成型を行っても良い。
　前駆体シート状物を加熱加圧処理する際は、炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）が付着しないように、あらかじめ各ロールに剥離剤を塗っておくことや、前駆体シート状物と各ロールとの間に離型紙を挟んでもよい。
　上述のようにして、前駆体シート状成形体１を得る。
　＜工程（３）：得られた前駆体シート状成形体１に、熱硬化性樹脂を添加する工程＞
　熱硬化性樹脂を前駆体シート状成形体１に添加する方法としては、前駆体シート状成形体１に熱硬化性樹脂を付与することができる方法であれば特に限定されない。
　熱硬化性樹脂としては、後述の多孔質電極基材の製造方法に関する説明にて挙げるものが挙げられる。残炭効率、及び、取扱い性の観点から、水分散性フェノール樹脂および／または水溶性フェノール樹脂が好ましい。
　例えば、コーターを用いて前駆体シート状成形体１の表面に熱硬化性樹脂を均一にコートする方法や、熱硬化性樹脂を浸した浴槽に前駆体シート状成形体１を含浸する方法を用いることができる。
　また、前駆体シート状成形体１に熱硬化性樹脂を吐出（噴霧、滴下または流下）して付与することもできる。例えばスプレーノズルを用いて、前駆体シート状成形体１の表面に熱硬化性樹脂を噴霧または滴下する方法、カーテンコーター等の吐出タイプのコーターを用いて、前駆体シート状成形物１の表面に熱硬化性樹脂を流下して均一にコートする方法などを用いることができる。熱硬化性樹脂を含む液剤の供給方法は特に制限されないが、たとえば加圧タンクによる圧送、ポンプによる定量供給、自吸圧力を利用した液剤吸上げ方式、などを用いることができる。
　噴霧ノズルは、液剤流路と気体流路が分かれている二流体ノズルを用いることが、流路が詰まりにくく、メンテナンスが容易となる観点で好ましい。そのようなノズルとして、例えば二重管ノズルや、特開２００７－２４４９９７号公報等に示される渦流式ノズルなどを使うことができる。噴霧に用いる気体は、熱硬化性樹脂と反応したり熱硬化性樹脂の硬化を促進したりしなければ特に制限されないが、通常は圧縮空気を用いることが好ましい。
　滴下ノズルは、一般に滴下用ニードルとして知られる針管状のノズルや、前記噴霧ノズルのほか、高圧液体噴射ノズルを用いることができる。
　なお、吐出された熱硬化性樹脂を前駆体シート状成形体１の内部に均一に浸透させたり、余分な熱硬化性樹脂を除去したりするために、絞り（ニップ）装置を併用することができる。絞りの代わりに、熱硬化性樹脂を吐出（例えば噴霧）した前駆体シート状成形体１の表面に気体を吹きつけたり、吐出した前駆体シート状成形体１の裏面から吸引したりすることによって、熱硬化性樹脂を前駆体シート状成形体１の内部に浸透させてもよい。
　熱硬化性樹脂の添加は、複数回繰り返してもよい。即ち、熱硬化性樹脂の添加を行った後、分散媒を乾燥させた後にさらに熱硬化性樹脂の添加を行ってもよいし、できつつある樹脂添加シート（熱硬化性樹脂を添加した前駆体シート状成形体１）を裏返し、反対側から、熱硬化性樹脂の添加を行ってもよい。また、これらの操作を繰り返してもよい。熱硬化性樹脂の添加回数は特に限定されないが、添加回数を少なくする方が、製造コスト低減の観点で好ましい。添加回数を複数回とする場合、添加する熱硬化性樹脂は同一のものを用いても、樹脂組成や濃度が異なるものを用いても良い。また、熱硬化性樹脂の添加量は前駆体シート状成形体１の厚さ方向に均一であっても、濃度勾配があっても良い。
　＜工程（４）：熱硬化性樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る工程＞
　加熱処理によって熱硬化性樹脂の三次元的な網状架橋構造が発達し、炭素化処理工程（５）後の残炭率を高めることができる。
　熱硬化性樹脂の三次元的な網状架橋構造が発達するために、３０～３００℃の温度で前駆体シート状成形体１を加熱処理することが好ましい。加熱処理の時間は、例えば３０秒間～２４時間とすることができる。
　加熱処理の方法としては、特に限定されないが、熱板や熱ロールなどによる直接加熱処理や、高温熱風炉や遠赤外線加熱炉による加熱処理などが適用できる。添加した熱硬化性樹脂の付着を抑制できる点で、高温熱風炉や遠赤外線加熱炉による加熱処理が好ましい。連続的に製造された前駆体シート状成形体１を加熱処理する場合は、製造コストの観点から、前駆体シート状成形体１全長にわたって連続で加熱処理を行うことが好ましい。
　＜工程（５）：得られた前駆体シート状成形体２を１０００℃以上の温度で炭素化処理して多孔質電極基材を得る工程＞
　前駆体シート状成形体２を炭素化処理する方法としては、室温からの連続昇温により炭素化するような方法であればよく、１０００℃以上の温度で行う。なお、十分な導電性付与の観点から、炭素化処理は、不活性雰囲気下にて１０００℃以上２４００℃以下の温度範囲で行うことが好ましい。なお、炭素化処理工程を行う前に、不活性雰囲気下にて３００℃以上１０００℃未満の温度範囲で前炭素化処理を行っても良い。前炭素化処理を行うことで炭素化初期段階において発生する分解ガスを容易に出し切ることができ、炭素化炉内壁への分解物の付着や堆積を容易に抑制することができるため好ましい。
　不活性雰囲気とは窒素やアルゴンなど、反応性の低いガスで充填された雰囲気のことをいう。製造コストの観点から、本工程では窒素雰囲気化で行うのが好ましい。
　連続的に製造された前駆体シート状成形体２を炭素化処理する場合は、製造コストの観点から、前駆体シート状成形体２の全長にわたって連続で熱処理を行うことが好ましい。多孔質電極基材が長尺であれば、多孔質電極基材の生産性が高くなり、かつその後の膜－電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）製造も連続で行うことができるので、燃料電池の製造コストを低減できる。また、多孔質電極基材や燃料電池の生産性および製造コストの観点から、製造された多孔質電極基材を連続的に巻き取ることが好ましい。
　＜工程（６）：前駆体シート状物を交絡処理する工程＞
　前駆体シート状物を交絡処理することで、炭素繊維（Ａ）と、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）が３次元に交絡した構造を有する前駆体シート状物を形成することができる。工程（１）において、炭素繊維（Ａ）と、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と共に、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を分散させた場合は、前駆体シート状物を交絡処理することで、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、および炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）とが３次元に交絡した構造を有する前駆体シート状物を形成することができる。
　前駆体シート状物中の炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）とを交絡させる交絡処理は、交絡構造が形成される方法で特に限定されず、例えば、ニードルパンチング法などの機械交絡法、ウォータージェットパンチング法などの高圧液体噴射法、スチームジェットパンチング法などの高圧気体噴射法、或いはこれらの組み合わせによる方法を用いることができる。交絡工程での炭素繊維（Ａ）の破断を容易に抑制でき、かつ適度な交絡性が容易に得られるという点から、高圧液体噴射法が好ましい。以下、この方法について詳しく説明する。
　高圧液体噴射処理法とは、実質的に表面平滑な支持部材上に前駆体シート状物を載せ、例えば、１ＭＰａの圧力で噴射される液体柱状流、液体扇形流、液体スリット流等を作用させることによって、前駆体シート状物中の炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、または、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）とを交絡させる処理方法である。ここで、実質的に表面平滑な支持部材としては、支持部材の模様が得られる交絡構造体に形成されることなく、かつ噴射された液体が速やかに除かれるようなものから必要に応じて選択して用いることができる。その具体例としては３０～２００メッシュの金網又はプラスチックネット或いはロール等を挙げることができる。
　実質的に表面平滑な支持部材上で前駆体シート状物を抄造した後、高圧液体噴射処理することが、交絡構造を有する前駆体シート状物を連続的に製造でき、生産性の観点から好ましい。
　高圧液体噴射処理に用いる液体としては、前駆体シート状物を構成する繊維を溶解する溶剤以外なら何でもよいが、通常は水或いは温水を用いることが好ましい。高圧液体噴射ノズル中のそれぞれの噴射ノズルの孔径は、柱状流の場合、観点から、０．０６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下がより好ましい。ノズル噴射孔と積層体の間の距離は、０．５ｃｍ以上５ｃｍ以下が好ましい。液体の圧力は、１ＭＰａ以上が好ましく、１．５ＭＰａ以上がより好ましい。交絡処理は、１列でもよく複数列で行ってもよい。複数列で行なう場合、１列目よりも２列目以降の高圧液体噴射処理の圧力を高めることが有効である。
　前駆体シート状物の高圧液体噴射による交絡処理は、複数回繰り返してもよい。即ち、前駆体シート状物に高圧液体噴射処理を行った後、更に前駆体シート状物を積層し、高圧液体噴射処理を行ってもよいし、出来つつある前駆体シート状物を裏返し、反対側から、高圧液体噴射処理を行ってもよい。また、これらの操作を繰り返してもよい。
　交絡構造を有する前駆体シート状物を連続的に製造する場合、１列または複数列のノズル孔を備える高圧液体噴射ノズルをシートの幅方向に振動させことにより、シート化方向にシートの疎密構造の形成に由来する筋状の軌跡パターンが形成されることを抑制することができる。シート化方向の筋状の軌跡パターンを抑制することにより、シート幅方向の機械的強度を発現することができる。また１列または複数列のノズル孔を備える高圧液体噴射ノズルを複数本使用する場合、高圧液体噴射ノズルをシートの幅方向に振動させる振動数、またその位相差を制御することにより交絡構造を有する前駆体シート状物に現れる周期的な模様を抑制することもできる。
　＜工程（７）：前駆体シート状物を加熱処理する工程＞
　前駆体シート状物を交絡処理する工程（６）と前記前駆体シート状物を加熱加圧し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶かして、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維（Ａ）とを融着して成形処理し、前駆体シート状成形体１を得る工程（２）の間で、前駆体シート状物を加熱処理することができる。これにより、前駆体シート状物の強度が高まり、後工程におけるハンドリング性が向上する。
　前駆体シート状物から分散媒を除去する観点から、３０～３００℃の温度でシート状物を加熱処理することが好ましい。加熱処理の時間は、例えば３０秒間～２４時間とすることができる。
　加熱処理の方法としては、特に限定されないが、熱板や熱ロールなどによる直接加熱処理や、高温熱風炉や遠赤外線加熱炉による加熱処理などが適用できる。前駆体シート状物を構成する繊維の付着を抑制できる点で、高温熱風炉や遠赤外線加熱炉による加熱処理が好ましい。連続的に製造された前駆体シート状物を加熱処理する場合は、製造コストの観点から、前駆体シート状物全長にわたって連続で加熱処理を行うことが好ましい。
　＜炭素繊維（Ａ）＞
　多孔質電極基材を構成する１つの繊維である炭素繊維（Ａ）は、前駆体シート状物、ならびに多孔質電極基材中で厚み方向に交絡させることができる。炭素繊維（Ａ）としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維（以下「ＰＡＮ系炭素繊維」と称する）、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等の炭素繊維を適当な長さに切断したものが挙げられる。多孔質電極基材の機械的強度の観点から、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。
　炭素繊維（Ａ）の平均繊維長は、分散性の点から、２～１２ｍｍであることが好ましい。炭素繊維（Ａ）の平均繊維径は、炭素短繊維の生産コストおよび分散性の面から、３～２０μｍであることが好ましく、多孔質電極基材の平滑性の面から、４～１８μｍであることがより好ましい。なお、平均繊維径は、光学顕微鏡および電子顕微鏡により測定することができる。
　＜熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）＞
　熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）とは、熱可塑性樹脂成分を２０％以上有する繊維のことを示す。熱可塑性樹脂成分を有する原料としては、例えば、塩化ビニル、酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリフェニレンオキシド、ポリウレタン、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、レーヨン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、等が挙げられる。
　熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）は、上記原料単体より構成される繊維を使用しても良いし、上記原料を含む２種類以上の原料により構成される繊維を使用しても良い。熱可塑性樹脂成分を有する原料を含む２種類以上の原料により構成される繊維の例として、芯と鞘の二層構造を有する繊維や、後述する海島構造を有するフィブリル状繊維（Ｅ－２）が挙げられる。
　前駆体シート状物の抄造には、少なくとも１種類の熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）混抄が必須であるが、２種類以上の熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を混抄しても良い。熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）の平均繊維長は、分散性の点から、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。なお、平均繊維長は、光学顕微鏡および電子顕微鏡により測定することができる。
　＜炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）＞
　炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）は、後述するポリマー（例えば、アクリル系ポリマー）を用いて作製した炭素繊維前駆体長繊維を適当な長さにカットしたものであることができる。炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の平均繊維長は、分散性の点から、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。なお、平均繊維長は、光学顕微鏡および電子顕微鏡により測定することができる。炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の断面形状は特に限定されないが、炭素化した後の機械的強度、製造コストの面から、真円度の高いものが好ましい。
　炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）に用いるアクリル系ポリマーは、アクリロニトリルの単独重合体でもよく、アクリロニトリルとその他のモノマーとを共重合体でもよい。アクリロニトリルと共重合されるモノマーとしては、一般的なアクリル系繊維を構成する不飽和モノマーであれば特に限定されないが、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸ｎ－ブチル、アクリル酸２－エチルヘキシル、アクリル酸２－ヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキシプロピルなどに代表されるアクリル酸エステル類；メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸ｎ－ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ｔ－ブチル、メタクリル酸ｎ－ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸２－ヒドロキシエチル、メタクリル酸ヒドロキシプロピル、メタクリル酸ジエチルアミノエチルなどに代表されるメタクリル酸エステル類；アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、Ｎ－メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデンなどが挙げられる。
　炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を構成するポリマーは、炭素化後にシート形態を維持する観点から、炭素化処理する工程における残存質量が２０質量％以上であることが好ましい。このようなポリマーとしては、例えばアクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げられる。紡糸性および低温から高温にかけて炭素繊維（Ａ）同士を接合させることができ、炭素化時の残存質量が大きい点を考慮すると、アクリロニトリル単位を５０質量％以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。
　炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）に用いるアクリロニトリル系ポリマーの重量平均分子量は、特に限定されないが、５万～１００万が好ましい。重量平均分子量が５万以上であることで、紡糸性が向上すると同時に、繊維の糸質が良好になる傾向にある。重量平均分子量が１００万以下であることで、紡糸原液の最適粘度を与えるポリマー濃度が高くなり、生産性が向上する傾向にある。
　炭素繊維（Ａ）、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の混合比によって、最終的に得られる多孔質電極基材中の残炭繊維の割合を調整することができる。
　本発明で使用する炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）は、フィブリル状を有するもの（フィブリル状繊維（Ｅ））を使用しても良いし、フィブリル状を有さないものを使用してもよい。
　＜フィブリル状繊維（Ｅ）＞
　フィブリル状繊維（Ｅ）とは、毛羽による微起毛を有する繊維であり、フィブリル状繊維（Ｅ）は、混抄する炭素繊維（Ａ）の再集束を防止すると共に、シート状物の強度を向上する役割を果たすことができる。また、使用する熱硬化性樹脂によっては、樹脂硬化の際に縮合水を生成するものもあるが、フィブリル状繊維（Ｅ）には、その水を吸収、排出する役割も期待できる。そのため、水との親和性にも優れているものが好ましい。具体的なフィブリル状繊維（Ｅ）としては、例えば、フィブリル化されたポリエチレン繊維、アクリル繊維、アラミド繊維、セルロース繊維などが挙げられる。
　フィブリル状繊維（Ｅ）としては、繊維状の幹より直径が数μｍ以下（例えば０．１～３μｍ）のフィブリルが多数分岐した構造を有する繊維、あるいは易割繊性海島複合繊維の叩解処理によってフィブリル化させた繊維等を用いることができる。フィブリル状繊維（Ｅ）を用いることにより、シート状物中で炭素繊維（Ａ）とフィブリル状繊維（Ｅ）とが良く絡み合い、機械的強度の優れたシート状物を得ることが可能になる。フィブリル状繊維（Ｅ）の濾水度は特に限定されないが、一般的に濾水度が低いフィブリル状繊維（Ｅ）を用いるとシート状物の機械的強度が向上するが、多孔質電極基材のガス透過度が低下する傾向がある。なお、以下、この２つのフィブリル状繊維（Ｅ）をそれぞれ、繊維（Ｅ－１）、繊維（Ｅ－２）と称し、詳しく説明する。
　・フィブリルが多数分岐した構造を有するフィブリル状繊維（Ｅ－１）
　繊維（Ｅ－１）の製造方法は、特に限定されないが、濾水度のコントロールが容易な噴射凝固法を用いることが好ましい。噴射凝固法による繊維（Ｅ－１）は例えば以下の方法で製造できる。
　まず、アクリロニトリル系共重合体を溶媒に溶解させて紡糸原液を調製する。この溶媒としては、例えば、ジメチルアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどを用いることができる。ついで、この紡糸原液を紡糸吐出口に通して混合セル内に吐出すると同時に、水蒸気を紡糸原液の吐出線方向に対して０度以上、９０度未満の角度で混合セル内に噴出し、混合セル内でこのアクリロニトリル系共重合体を剪断流速の下で凝固させる。形成された凝固体を前記溶媒と水蒸気と共に混合セルから凝固液中に排出することで繊維（Ｅ－１）が得られる。凝固液としては水または、水と前記溶媒との混合液を用いることができる。
　このようにして得られた繊維（Ｅ－１）は、繊維径の細い繊維が集合したフィブリル部と水蒸気にあまり触れることなく凝固した繊維径の太い芯部（幹）を有している。繊維（Ｅ－１）のフィブリル部は炭素繊維（Ａ）や繊維（Ｅ－１）のフィブリル部同士との絡みを良好とし、繊維（Ｅ－１）の芯部はバインダーとしての強度を発現することができる。
　繊維（Ｅ－１）のフィブリル部の繊維径は混合する炭素繊維（Ａ）との絡みを良好にするため、２μｍ以下が好ましい。
　芯部は、多孔質電極基材の均質化の観点から直径１００μｍ以下であることが好ましい。直径を１００μｍ以下とすることにより、繊維（Ｅ－１）が偏在することを容易に抑制でき、比較的少量の繊維（Ｅ－１）によって容易に炭素繊維（Ａ）を結着することができる。また、強度を発現する観点から、芯部の直径は１０μｍ以上であることが好ましい。
　繊維（Ｅ－１）が炭素繊維（Ａ）に絡む機能の観点から、一つの芯部に対して繊維（Ｅ－１）のフィブリル部が複数存在することが好ましく、一つの芯部に対してフィブリル部が多いほど好ましいと考えられる。
　一本の繊維（Ｅ－１）において、芯部の太さは、一定であるか、あるいは無段階に変化するものが好ましい。このような繊維（Ｅ－１）を用いることにより、芯部の太さの段階的な変化により段差の部分が弱くなることを容易に防ぐことができ、強度が低下することを容易に防ぐことができる。なお、上記方法で繊維（Ｅ－１）を製造した場合、水蒸気がランダムに飛び散ることにより芯部の太さを一定に保つことが困難な場合があり、芯部の太さが変化することがある。しかし、芯部の太さの段階的な変化は、噴射する水蒸気が冷えて液滴状になった場合に見られる傾向があるため、水蒸気の噴出圧および温度を高くするなどの方法で芯部の太さが段階的に変化することを容易に防止することができる。
　・叩解処理によってフィブリル化させたフィブリル状繊維（Ｅ－２）
　繊維（Ｅ－２）は、長繊維状の易割繊性海島複合繊維を適当な長さにカットしたものを、リファイナーやパルパーなどによって叩解しフィブリル化したものである。長繊維状の易割繊性海島複合繊維は、共通の溶剤に溶解し、かつ非相溶性である２種類以上の異種ポリマーを用いて製造することができ、少なくとも１種類のポリマーが残炭素化をし、炭素化処理工程における残存質量２０質量％以上であることが好ましい。易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうち、炭素化処理工程における残存質量が２０質量％以上であるものとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げられる。中でも、紡糸性および炭素化処理工程における残存質量の観点から、アクリロニトリル単位を５０質量％以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。
　易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうちの１種類に、炭素化処理工程における残存質量が２０質量％以上であるポリマーとして、上述するアクリル系ポリマーを用いた場合、他のポリマーとしては、そのアクリル系ポリマーと共通の溶剤に溶解し、両ポリマーを溶解した紡糸原液が安定に存在することが望まれる。すなわち、他のポリマーは、アクリル系ポリマーと共通の溶剤に溶解した場合に、アクリル系ポリマーに対して非相溶であり、紡糸の際に海島構造を形成できる程度の混和性を有することが望まれる。これにより、紡糸原液とした際に、２種のポリマーの非相溶性の度合いが大きい場合に生じる繊維の不均質性を容易に防ぐとともに、紡糸時における糸切れを容易に防ぐことができ、さらに、繊維賦形を容易にすることができる。また、他のポリマーは水に難溶性であることが望まれ、これにより湿式紡糸する場合に、凝固槽、および洗浄槽において他のポリマーが水に溶解して脱落が起こることを容易に防ぐことができる。
　これらの要望を満足する他のポリマーとしては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン、酢酸セルロース、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノール樹脂などが挙げられるが、酢酸セルロース、アクリル樹脂およびメタクリル樹脂は、前述した要望のバランスの点で、好ましい。他のポリマーは、１種でもよく、２種以上でもよい。
　繊維（Ｅ－２）に用いる易割繊性海島複合繊維は、通常の湿式紡糸法で製造することができる。先ず、アクリル系ポリマーと他のポリマーとを溶剤に溶解して紡糸原液を調製する。または、アクリル系ポリマーを溶剤に溶解して得られる紡糸原液と、他のポリマーを溶剤に溶解して得られる紡糸原液とを、スタティックミキサー等で混合して紡糸原液としてもよい。溶剤としては、ジメチルアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどを用いることができる。これらの紡糸原液を紡糸機に供給してノズルより紡糸し、湿熱延伸、洗浄、乾燥および乾熱延伸を施こすことで、易割繊性海島複合繊維を得ることができる。
　易割繊性海島複合繊維の断面形状は、特に限定されない。分散性、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、易割繊性海島複合繊維の繊度は、１ｄｔｅｘ以上１０ｄｔｅｘ以下であることが好ましい。易割繊性海島複合繊維の平均繊維長は、叩解後の分散性の観点から、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。
　易割繊性海島複合繊維は、機械的外力により相分離界面の剥離により叩解して、その少なくとも一部分が割繊し、フィブリル化する。叩解方法は、特に限定されないが、例えば、リファイナーやパルパー、ビーター、または加圧水流の噴射（ウオータージェットパンチング）によりフィブリル化することが可能である。易割繊性海島複合繊維を機械的外力により相分離界面の剥離により叩解する際には、叩解方法、叩解時間に依存して、フィブリル化の状態は変化する。フィブリル化の度合いを評価する方法として、濾水度評価（ＪＩＳ　Ｐ８１２１（パルプ濾水度試験法：カナダ標準型））を用いることができる。繊維（Ｅ－２）の濾水度は特に限定されない。
　＜熱硬化性樹脂＞
　本発明で用いる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、等が挙げられるが、コスト、残炭効率、及び、取扱い性の観点から、水溶性フェノール樹脂および／または水分散性フェノール樹脂が好ましい。
　＜水溶性フェノール樹脂＞
　本発明で使用する水溶性フェノール樹脂は、例えば特開２００９－８４３８２号公報等に示される水溶性が良好なレゾール型フェノール樹脂のような、公知の水溶性フェノール樹脂を使うことができる。具体的には、ＤＩＣ（株）製の商品名：フェノライトＧＧ－１４０２や、群栄化学（株）製の商品名：レヂトップＰＬ－５６３４、ＰＬ－６７８１や、住友ベークライト（株）製の商品名：スミライトレジンＰＲ－５０７８１、ＰＲ－９８００Ｄ、ＰＲ－５５３８６、ＰＲ－５０６０７Ｂや、昭和電工（株）製の商品名：ショウノールＢＲＬ－１５８３、ＢＲＬ－１２０Ｚ、ＢＲＬ－２８５４等である。水溶性フェノール樹脂は、メタノールやメチルエチルケトンを溶媒とする一般的なフェノール樹脂と同様に、炭素化した段階で炭素繊維（Ａ）を結着しやすく、かつ導電性物質として残存しやすい。
　水溶性フェノール樹脂の入手形態としては、水溶液の形態で市販品の調達が容易なものを用いることが、取り扱い性、製造コストの観点から好ましい。市販の水溶性フェノール樹脂は、製造時に除去されずに残った有機溶媒や未反応モノマーが、一般的なフェノール樹脂に比べ少ない。すなわち、乾燥処理や加熱加圧処理の際に揮発する有機溶媒や未反応モノマーが少ないため、排気設備を簡素化できるなど、製造コストを低減することができる。
　＜水分散性フェノール樹脂＞
　本発明で使用する水分散性フェノール樹脂は、例えば特開２００４－３０７８１５号公報、特開２００６－５６９６０号公報等に示されるレゾール型フェノール樹脂乳濁液、あるいは水系ディスパージョンとも呼ばれる公知の水分散性フェノール樹脂を使うことができる。具体的には、ＤＩＣ（株）製の商品名：フェノライトＴＤ－４３０４、ＰＥ－６０２や、住友ベークライト（株）製の商品名：スミライトレジンＰＲ－１４１７０、ＰＲ－５５４６４や、昭和電工（株）製の商品名：ショウノールＢＲＥ－１７４等である。水分散性フェノール樹脂は、メタノールやメチルエチルケトンを溶媒とする一般的なフェノール樹脂と同様に、炭素化した段階で炭素繊維（Ａ）を結着しやすく、かつ導電性物質として残存しやすい。
　水分散性フェノール樹脂の入手形態としては、水分散液、あるいは粒状の形態で市販品の調達が容易なものを用いることが、取り扱い性、製造コストの観点から好ましい。市販の水分散性フェノール樹脂は、製造時に除去されずに残った有機溶媒や未反応モノマーが、一般的なフェノール樹脂に比べ少ない。すなわち、乾燥処理や加熱加圧処理の際に揮発する有機溶媒や未反応モノマーが少ないため、排気設備を簡素化できるなど、製造コストを低減することができる。
　上述した樹脂添加工程（３）で使用する熱硬化性樹脂は、シートへの浸透性の点より、分散液状または水溶液状であることが好ましい。分散液中または水溶液中の熱硬化性樹脂の固形分の濃度は、多孔質電極基材の強度と導電性発現の観点から、１質量％以上が好ましく、低粘度で浸透性が高い分散液とするために５０質量％以下が好ましい。
　入手した熱硬化性樹脂を希釈、あるいは分散させる媒体としては、取り扱い性、製造コストの観点から、水、アルコールまたはこれらの混合物を用いることが好ましい。また、生産性の観点、大気環境保護の観点、人体環境保護の観点から、水を主成分とすることがより好ましい。
　また、シート強度の向上、および、電気抵抗値の低減を目的として、熱硬化性樹脂に炭素粉（Ｄ）を添加してもよい。炭素粉（Ｄ）としては単一のものを用いても良いし、異なる種類の炭素粉を複数組み合わせて用いても良い。
　＜炭素粉（Ｄ）＞
　炭素粉（Ｄ）としては、黒鉛粉、カーボンブラック、ミルドファイバーまたはこれらの混合物を用いることが、電気抵抗値低減の点で好ましい。
　黒鉛粉は、高結晶性のグラファイト構造からなり、その一次粒子の平均粒径は一般に数マイクロメートル～数百マイクロメートルである。黒鉛粉としては、熱分解黒鉛、球状黒鉛、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等を用いることができるが、導電性発現の観点から、熱分解黒鉛、球状黒鉛または鱗片状黒鉛が好ましい。
　カーボンブラックは、一般に平均粒径が数十ナノメートルの一次粒子が互いに融着してストラクチャーを形成し、さらにストラクチャー同士がファンデアワールス力により結合した構造体（アグロメート）として存在する。カーボンブラックは、単位質量当たりの粒子数が黒鉛粉に比べて著しく多く、ある臨界濃度以上でアグロメートが３次元ネットワーク状に連なって巨視的な導電経路を形成する。カーボンブラックとしては、フォーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック等を用いることができるが、電気伝導性に優れるアセチレンブラックまたはケッチェンブラックが好ましい。
　ミルドファイバーは、バージンの炭素繊維を粉砕して製造されたものを用いても良いし、炭素繊維強化熱硬化性樹脂成形品、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形品、プリプレグ等のリサイクル品から製造されたものを用いても良い。
　＜＜膜－電極接合体（ＭＥＡ）、固体高分子型燃料電池＞＞
　本発明の多孔質電極基材は、固体高分子型燃料電池の膜－電極接合体に好適に用いることができる。また本発明の多孔質電極基材を用いた膜－電極接合体は、固体高分子型燃料電池に好適に用いることができる。
　以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。実施例中の各物性値等は、以下の方法で測定した。結果を表１～２に示す。
　（１）厚み（１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時）
　多孔質電極基材の厚みは、厚み測定装置ダイヤルシックネスゲージ（（株）ミツトヨ製、商品名：７３２１）を使用して測定した。測定子の大きさは直径１０ｍｍで、測定圧力は１．５×１０-1ＭＰａとした。
　（２）嵩密度
　多孔質電極基材の嵩密度は、多孔質電極基材の目付と、多孔質電極基材の厚み（１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時）から、以下のように算出した。
嵩密度（ｇ／ｃｍ3）＝目付（ｇ／ｍ2）／厚み（μｍ）。
　（３）厚さ方向の通気度
　ＪＩＳ規格Ｐ－８１１７に準拠した方法によって求められる。ガーレーデンソメーターを使用して試験片（多孔質電極基材）を直径３ｍｍの孔を有するセルに挟み、孔から１．２９ｋＰａの圧力で２００ｍＬの空気を流し、その空気が透過するのにかかった時間を測定し、以下の式より算出した。
　ガス透過度（ｍＬ／ｈｒ／ｃｍ2／Ｐａ）＝気体透過量（ｍＬ）／透過時間（ｈｒ）／透過孔面積（ｃｍ2）／透過圧（Ｐａ）。
　（４）曲げ強度
　多孔質電極基材の曲げ強度は、万能試験機（（株）今田製作所、商品名：ＳＶ２０１ＮＡ）を使用して、以下のように測定した。まず、試験片の長辺が、工程（５）より得られる多孔質電極基材の長手方向と平行になるように、縦８０ｍｍ×横１０ｍｍの試験片（多孔質電極基材）を準備し、３点曲げ試験用治具の下部（支点間距離：２０ｍｍ）に試験片をセットした。次いで、３点曲げ試験用治具の上部を下降させ、支点間の中央部に位置する試験片に荷重を加えた。試験片が破断したら直ちに停止し、破断時の曲げ応力の値を読み取り、その値から次式により曲げ強度を求めた。
　曲げ強度（ＭＰａ）＝１．５×曲げ応力（Ｎ）×支点間距離（ｍｍ）／横距離（ｍｍ）／（試験片厚み）2（ｍｍ2）
　（５）５×１０-2ＭＰａ、５×１０-2ＭＰａ（３ＭＰａの圧力印加後）、３ＭＰａの圧力印加時の厚み
　多孔質電極基材の上記厚みは、マイクロオートグラフ小形試験片圧縮試験装置（（株）島津製作所製、商品名：ＭＳＴ－Ｉ）を使用して、以下のように測定した。あらかじめ平行度を調整した直径５０ｍｍの上圧盤（固定式）と、直径５０ｍｍの下圧盤（球座式）の間に何も挟まず、ストローク速度０．４ｍｍ／ｍｉｎにて負荷ロッドを下降させた。５×１０-2ＭＰａの圧力が印加されたら、直ちに負荷ロッドのストロークを停止し、３点の圧盤間変位計の値をすべてゼロに設定した。次いで、上圧盤と下圧盤の間に、直径２５ｍｍの試験片（多孔質電極基材）を置き、ストローク速度０．４ｍｍ／ｍｉｎにて負荷ロッドを下降させた。試験片に５×１０-2ＭＰａ、３ＭＰａ５×１０-2ＭＰａ、の順で圧力印加し、それぞれの圧力印加時に負荷ロッドのストロークを停止し、３０秒後の圧盤間変位計の値を３点で読み取り、その平均値を５×１０-2ＭＰａ、５×１０-2ＭＰａ（３ＭＰａの圧力印加後）、３ＭＰａの圧力印加時の厚みとした。
　（６）３ＭＰａの圧力印加時の電気抵抗値
　多孔質電極基材の厚さ方向の電気抵抗値（貫通方向抵抗）は、金メッキした銅板に多孔質電極基材を挟み、銅板の上下から３ＭＰａで加圧し、１０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で電流を流したときの抵抗値を測定し、次式より求めた。
　電気抵抗値（ｍΩ・ｃｍ2）＝測定抵抗値（ｍΩ）×試料面積（ｃｍ2）。
　（実施例１）
　炭素繊維（Ａ）として、平均繊維径が７μｍ、平均繊維長が３ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維を用意した。また、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）として、アクリル系ポリマーとメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）とからなる易割繊性海島複合繊維を叩解によってフィブリル化した易割繊性アクリル系海島複合短繊維（三菱レイヨン（株）製、商品名：ボンネルＭ．Ｖ．Ｐ．－Ｃ３００、平均繊維長：３ｍｍ）を用意した。また、炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）として、アクリル短繊維（三菱レイヨン（株）製、商品名：Ｈ１００、平均繊維長：５ｍｍ）を用意した。シート状物の抄造および交絡処理による３次元交絡構造シート状物の製造は、以下のような湿式連続抄紙法と、連続加圧水流噴射処理による交絡処理法により行った。
　以下の（１）～（１０）の操作によってシート状物の抄造、及び交絡構造シート状物の製造を行った。
　（１）炭素繊維（Ａ）の離解
　前記炭素繊維（Ａ）を、繊維濃度が１％（１０ｇ／Ｌ）になるように水中へ分散して、ディスクリファイナー（熊谷理機工業（株）製）を通して離解処理し、離解スラリー繊維（ＳＡ）とした。
　（２）熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）の叩解および離解
　前記熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を、繊維濃度が１％（１０ｇ／Ｌ）になるように水中へ分散して、ディスクリファイナー（熊谷理機工業（株）製）を通して叩解および離解処理し、離解スラリー繊維（ＳＢ）とした。
　（３）炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の離解
　前記炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）を、繊維濃度が１％（１０ｇ／Ｌ）になるように水中へ分散して、ディスクリファイナー（熊谷理機工業（株）製）を通して離解処理し、離解スラリー繊維（ＳＣ）とした。
　（４）抄紙用スラリーの調整
　炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）とが、質量比６０：２０：２０で、かつスラリー中の繊維の濃度が、０．８ｇ／Ｌとなるように離解スラリー繊維（ＳＡ）、離解スラリー繊維（ＳＢ）、離解スラリー繊維（ＳＣ）、希釈水を計量し、スラリー供給タンクに調製した。さらに、ポリアクリルアマイドを添加して粘度２２ｍＰａ・ｓ（センチポイズ）の抄紙用スラリーを調製した。
　（５）前駆体シート状物の製造
　ネット駆動部及び幅６０ｃｍ×長さ５８５ｃｍのプラスチックネット製平織メッシュをベルト状につなぎあわせて連続的に回転させるネットよりなるシート状物搬送装置、スラリー供給部幅が４８ｃｍである抄紙用スラリー供給装置、ネット下部に配置した減圧脱水装置からなる処理装置を用いた。
　前記抄紙用スラリーを定量ポンプにより前記平織メッシュ上に供給した。抄紙用スラリーは均一な流れに整流するためのフローボックスを通して所定サイズに拡幅して供給した。その後自然脱水する部分を通過して、減圧脱水装置により脱水し、前駆体シート状物を得た。
　（６）前駆体シート状物の交絡処理
　前記処理装置の下流に下記の３本ウォータージェットノズル（ノズル１～３）を備えた加圧水流噴射処理装置を配置した。
　ノズル１：孔径φ（直径）０．１５ｍｍ×５０１孔、幅方向孔間ピッチ１ｍｍ（１００１孔／幅１ｍ）、１列配置、ノズル有効幅５００ｍｍ。
　ノズル２：孔径φ０．１５ｍｍ×５０１孔、幅方向孔間ピッチ１ｍｍ（１００１孔／幅１ｍ）、１列配置、ノズル有効幅５００ｍｍ。
　ノズル３：孔径φ０．１５ｍｍ×１００２孔、幅方向孔間ピッチ１．５ｍｍ、３列配置、列間ピッチ５ｍｍ、ノズル有効幅５００ｍｍ。
　前駆体シート状物を加圧水流噴射処理装置のネット上に積載した。加圧水流噴射圧力を１ＭＰａ（ノズル１）、圧力２ＭＰａ（ノズル２）、圧力３ＭＰａ（ノズル３）として、前記湿紙ウエッブをノズル１、ノズル２、ノズル３の順で通過させて交絡処理を加えた。
　（７）交絡処理した前駆体シート状物の加熱処理
　前記交絡処理後の前駆体シート状物を、熱カレンダーロール機（由利ロール（株）製）により１２０℃で約３分間、熱ロールへの接触により乾燥させて目付４８ｇ／ｍ2のシート状物を得た。このシート状物中での炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、及び炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）の分散状態は良好で両繊維の絡み合いも良好であり、ハンドリング性は良好であった。
　（８）前駆体シート状物の成形処理
　前記前駆体シート状物を、熱カレンダーロール機（由利ロール（株）製）により、ロール温度を１４０℃、速度を３．０ｍ／ｍｉｎ、で連続的に成型し、前駆体シート状成形体１を得た。成型後の表面観察より、炭素繊維（Ａ）の加圧による破断がなく、炭素繊維（Ａ）、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）、及び炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）が効果的に融着していることが確認できた。
　（９）熱硬化性樹脂の添加、乾燥、硬化処理
　次に、熱硬化性樹脂としてレゾール型フェノール樹脂水溶液（ＤＩＣ（株）製、商品名：フェノライトＧＧ－１４０２）、炭素粉として黒鉛粉（伊藤黒鉛工業(株)製、商品名：鱗片状黒鉛Ｚ－５Ｆ）を用意し、水溶液中の全固形分のうち樹脂固形分比率７０％、黒鉛固形分比率３０％になるように樹脂黒鉛添加液を作製した。この樹脂黒鉛添加液を前記前駆体シート状成形体１に含浸させ、ＩＲ熱処理炉（日本ガイシ（株）製）を用いてシート中の水を乾燥、さらにシート中の樹脂を硬化させた。その結果、前駆体シート状成形体１の目付に対して、４７質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た。
　（１０）炭素化処理
　前駆体シート状成形体２を、不活性ガス（窒素）雰囲気中、２０００℃で炭素化して、多孔質炭素電極基材を得た。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例２）
　以下の点以外は、実施例１と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に５０ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、５１質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例３）
　以下の点以外は、実施例１と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４２ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・熱硬化性樹脂としてレゾール型フェノール樹脂水溶液（住友ベークライト（株）製、商品名：スミライトレジンＰＲ－５５４６４）、炭素粉として黒鉛粉（伊藤黒鉛工業(株)製、商品名：熱分解黒鉛ＰＣ－Ｈ）を使用した点。
　・水溶液中の全固形分のうち、樹脂固形分比率８０％、黒鉛固形分比率２０％になるように樹脂黒鉛添加液を作製した点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、７２質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例４）
　以下の点以外は、実施例１と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に３９ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・熱硬化性樹脂としてレゾール型フェノール樹脂水溶液（住友ベークライト（株）製、商品名：スミライトレジンＰＲ－５５４６４）を使用した点。
　・水溶液中の全固形分のうち、樹脂固形分比率８０％、黒鉛固形分比率２０％になるように樹脂黒鉛添加液を作製した点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、５２質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例５）
　以下の点以外は、実施例４と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４４ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、５５質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例６）
　以下の点以外は、実施例４と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４４ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、４３質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（実施例７）
　以下の点以外は、実施例４と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４３ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、７２質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどなく、ハンドリング性、ガス透気度、貫通方向抵抗はそれぞれ良好であった。
　（比較例１）
　以下の点以外は、実施例４と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４４ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、６６質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどないが、嵩密度が２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上であった。
　（比較例２）
　以下の点以外は、実施例４と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に４３ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・前駆体シート状成形体１の目付に対して、７５質量％の樹脂黒鉛固形分が付着した前駆体シート状成形体２を得た点。
　得られた多孔質電極基材は、炭素短繊維の破断や、炭素化処理時における面内の収縮がほとんどないが、嵩密度が２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上であった。
　（比較例３）
　以下の点以外は、実施例１と同様にして多孔質電極基材を得た。
　・抄紙時に５０ｇ／ｍ2の前駆体シート状物を得た点。
　・熱硬化性樹脂の添加、乾燥、硬化処理を行わない点。
　得られた多孔質電極基材は、曲げ強度が低く、炭素繊維及び炭化樹脂の破断によりハンドリングが困難であった。
　（比較例４）
　国際公開第２０１０／１０２１９５号に記載された製法により、嵩密度が１．６×１０-1ｇ／ｃｍ3の多孔質電極基材を作製した。得られた多孔質電極基材は、曲げ強度が低く、炭素繊維及び炭化樹脂の破断によりハンドリングが困難であった。
　次に、実施例７及び比較例１、比較例２で得られた多孔質電極基材を５ｃｍ四方にカットし、市販のＰＴＦＥ水溶液（三井・デュポンフロロケミカル（株）社製）を水で１５～２０質量％まで希釈したものに浸漬し、乾燥後３６０℃で焼結した後、市販のＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ　Ｃｏａｔｅｄ　Ｍｅｍｂｒａｎｅの略、日本ゴア（株）社製）へ挟み込み、膜電極接合体を作製した。次に、その膜電極接合体をカーボンセパレーターでさらにはさみこみ、締付けトルク４Ｎ・ｍで締付け、単セルスタックを製作した。得られた単セルスタックのうち、実施例７の方法で製作した炭素電極基材を使用したものをセルスタックＡ、比較例１の方法で製作した炭素電極基材を使用したものをセルスタックＢ、比較例２の方法で製作した炭素電極基材を使用したものをセルスタックＣとする。
　アノードに水素を、カソードに空気を用いて６０℃にて発電した場合の、上記のセルスタックの発電特性を図１に示す。なお、図１において、記号（○）はセルスタックＡの発電特性を、記号（□）はセルスタックＢの発電特性を、記号（△）はセルスタックＣの発電特性を示す。図１から明らかなように、セルスタックＡはセルスタックＢ、セルスタックＣと比較して、特に高電流密度領域において高い出力電圧が得られることが分かった。
　これは、比較例１、比較例２の炭素電極基材では、電気化学反応によって発生する水の滞留によりガスの拡散性が妨げられ、高電流密度領域において出力低下が見られるのに対して、本発明による実施例７の炭素電極基材では、低嵩密度であるため電気化学反応によって発生する水の滞留が起こりにくく、かつ、ガスの拡散性も良好であるため、特に高電流密度領域において良好な発電特性を示したと考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本発明による多孔質電極基材は、シート状物抄造時に熱可塑性樹脂含有繊維を混合することで、「シート状物抄造」から「加熱加圧処理」し、「熱硬化性樹脂添加」を経て「高温焼成による炭素化」の順で製造される。熱硬化性樹脂添加後に加熱加圧処理を実施しないことで、熱硬化性樹脂が面内方向と面直方向とで均等に付着し、従来では作製困難なハンドリング性、ガス透過性が良い、低嵩密度化した多孔質電極基材を提供することができる。また、この多孔質電極基材を含む膜－電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することができる。

Claims (14)

  1. 　炭素繊維（Ａ）が炭化物により接合された構造を有する多孔質電極基材であって、１．５×１０-1ＭＰａの圧力加印時の嵩密度が１．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以上２．０×１０-1ｇ／ｃｍ3以下、曲げ強度が１０ＭＰａ以上である、多孔質電極基材。
  2. 　１．５×１０-1ＭＰａの圧力印加時の厚みが５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１に記載の多孔質電極基材。
  3. 　厚さ方向の通気度が、５００ｍｌ／ｃｍ2／ｈｒ／Ｐａ以上である、請求項１または２に記載の多孔質電極基材。
  4. 　３ＭＰａの圧力印加時の厚みが、５．０×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの１０％以上７０％以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
  5. 　３ＭＰａの圧力印加後、５．０×１０-2ＭＰａまで除圧した際の厚みが、３ＭＰａ加圧印加前の５．０×１０-2ＭＰａの圧力印加時の厚みの４０％以上９５％以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
  6. 　３ＭＰａの圧力印加時の厚さ方向の電気抵抗値が１．０ｍΩ・ｃｍ2以上、１０．０ｍΩ・ｃｍ2以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の多孔質電極基材。
  7. 　請求項１から６いずれか一項に記載の多孔質電極基材を含む膜－電極接合体。
  8. 　請求項７に記載の膜－電極接合体を含む固体高分子型燃料電池。
  9. 　以下の工程（１）～（５）の順で製造する、多孔質電極基材の製造方法。
    　工程（１）：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）が分散した前駆体シート状物を製造する工程、
    　工程（２）：前記前駆体シート状物を加熱加圧し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶かして、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）と炭素繊維（Ａ）とを融着して成形処理し、前駆体シート状成形体１を得る工程、
    　工程（３）：得られた前駆体シート状成形体１に、熱硬化性樹脂を添加する工程、
    　工程（４）：熱硬化性樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る工程、
    　工程（５）：得られた前駆体シート状成形体２を１０００℃以上の温度で炭素化処理して多孔質電極基材を得る工程。
  10. 　工程（４）において、樹脂を添加した前駆体シート状成形体１を加熱処理し、熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ）を溶融して前記前駆体シート状成形体１の厚みを増しつつ含有している前記熱硬化性樹脂を硬化させ、前駆体シート状成形体２を得る、請求項９に記載の製造方法。
  11. 　前記工程（１）において、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂含有繊維（Ｂ） と共に、更に炭素繊維前駆体繊維（Ｃ）が分散した前駆体シート状物を製造する、請求項９または１０に記載の製造方法。
  12. 　前記工程（１）において炭素粉（Ｄ）を添加する、請求項９から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. 　前記工程（３）において、熱硬化性樹脂とともに炭素粉（Ｄ）を添加する、請求項９から１２のいずれか一項に記載の製造方法。
  14. 　前記熱硬化性樹脂が、水溶性フェノール樹脂および／または水分散性フェノール樹脂である、請求項９から１３のいずれか一項に記載の製造方法。
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