JP7372060B2 - carbon foam - Google Patents

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JP7372060B2 JP2019121705A JP2019121705A JP7372060B2 JP 7372060 B2 JP7372060 B2 JP 7372060B2 JP 2019121705 A JP2019121705 A JP 2019121705A JP 2019121705 A JP2019121705 A JP 2019121705A JP 7372060 B2 JP7372060 B2 JP 7372060B2
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Description

本発明は、炭素フォームに関する。 FIELD OF THE INVENTION This invention relates to carbon foam.

炭素フォームは、例えばメラミン樹脂フォーム(発泡体)を不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭素化することにより得られる材料であり(例えば、特許文献1参照)、その多孔性、柔軟性及び電気的特性により様々な用途に使用されている。 Carbon foam is a material obtained, for example, by heat-treating melamine resin foam (foam) in an inert gas atmosphere to carbonize it (see, for example, Patent Document 1), and its porosity, flexibility, and electrical It is used for various purposes depending on its characteristics.

特開平4-349178号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-349178

炭素フォームは、レドックスフロー電池等の電極として用いられることがある。該電極を含むレドックスフロー電池用セルとしては、例えば、双極板、正極、隔膜、負極、双極板の順に積層された構造(図1参照)のように、電極が、双極板と隔膜とに挟まれた構造を含むセル等が挙げられる。また、このような構造において、セル内の電解液の流動性を向上させる観点から、双極板に電解液が流れる流路が設けられることがある(図1参照)。 Carbon foams are sometimes used as electrodes in redox flow batteries and the like. A redox flow battery cell including the electrode may have a structure in which a bipolar plate, a positive electrode, a diaphragm, a negative electrode, and a bipolar plate are laminated in this order (see Figure 1), in which the electrode is sandwiched between a bipolar plate and a diaphragm. Examples include cells that include a structure that Furthermore, in such a structure, from the viewpoint of improving the fluidity of the electrolyte within the cell, a channel through which the electrolyte flows may be provided in the bipolar plate (see FIG. 1).

セル組をする際、過剰な圧力を付加すると、双極板の流路に電極が落ち込んだり、電極中の繊維が破断したりすることがあり、セル組の際に圧力をかけても、双極板の流路に落ち込みにくい炭素フォームが求められていた。
従って、本発明の目的は、セル組の際、流路への落ち込みや破断が起こりにくい炭素フォームを提供することにある。
If excessive pressure is applied when assembling cells, the electrode may fall into the flow path of the bipolar plate or the fibers in the electrode may break. There was a need for a carbon foam that would not easily fall into the flow path.
Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon foam that is unlikely to fall into the flow path or break during cell assembly.

[1]
線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、
前記線状部の平均繊維径が0.1~5.0μmであり、
JIS P8125に準拠して測定されるテーバー曲げ剛さが、16gf・cm以上38gf・cm以下であり、
厚みが0.1mm以上1.0mm以下であり、
空隙率が85%以上97%以下であり、
炭素含有率が90質量%以上であり、
前記結合部の密度が、15,000個/mm 以上である、
ことを特徴とする燃料電池、レドックスフロー電池又は水電解用炭素フォーム。
[2]
少なくとも一部において、前記炭素フォームの厚み方向をx方向、前記x方向に垂直な方向をy方向、前記x方向及び前記y方向に垂直な方向をz方向とし、
300μm×300μm×300μmの領域内に含まれる前記線状部の
前記x方向に対する配向角度の平均値をθavex、
前記y方向に対する配向角度の平均値をθavey、
前記z方向に対する配向角度の平均値をθavez、
と定義したときに、
前記θavex、前記θavey、前記θavezの中の最大値と最小値との差θcが3°以上である、[1]に記載の炭素フォーム。
[3]
前記結合部の数に対する前記線状部の数の割合が1.3以上1.6以下である、[1]又は[2]に記載の炭素フォーム。
[4]
前記結合部の密度が、30,000個/mm以上である、[1]~[3]の何れかに記載の炭素フォーム。
[5]
前記線状部の平均繊維径が0.5~4.0μmである、[1]~[4]の何れかに記載の炭素フォーム。
[1]
It has a linear part and a connecting part that connects the linear part,
The linear portion has an average fiber diameter of 0.1 to 5.0 μm,
Taber bending stiffness measured in accordance with JIS P8125 is 16gf・cm or more and 38gf・cm or less,
The thickness is 0.1 mm or more and 1.0 mm or less,
The porosity is 85% or more and 97% or less,
The carbon content is 90% by mass or more,
The density of the bonding portion is 15,000 pieces/mm 3 or more,
A carbon foam for fuel cells, redox flow batteries or water electrolysis, characterized by:
[2]
At least in part, the thickness direction of the carbon foam is the x direction, the direction perpendicular to the x direction is the y direction, and the direction perpendicular to the x direction and the y direction is the z direction;
The average value of the orientation angle with respect to the x direction of the linear portion included in a region of 300 μm x 300 μm x 300 μm is θavex,
The average value of the orientation angle with respect to the y direction is θavey,
The average value of the orientation angle with respect to the z direction is θavez,
When defined as
The carbon foam according to [1], wherein the difference θc between the maximum value and the minimum value among the θavex, θavey, and θavez is 3° or more.
[3]
The carbon foam according to [1] or [2], wherein the ratio of the number of linear parts to the number of bonding parts is 1.3 or more and 1.6 or less.
[4]
The carbon foam according to any one of [1] to [3], wherein the density of the bonding portion is 30,000 pieces/mm 3 or more.
[5]
The carbon foam according to any one of [1] to [4] , wherein the linear portion has an average fiber diameter of 0.5 to 4.0 μm.

本発明の炭素フォームは、上記構成を有するため、セル組の際、流路への落ち込みや破断が起こりにくい炭素フォームを提供することができる。 Since the carbon foam of the present invention has the above configuration, it is possible to provide a carbon foam that is unlikely to fall into the flow path or break during cell assembly.

レドックスフロー電池の流路構造の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of a channel structure of a redox flow battery. 比較例1による炭素フォーム表面のSEM像である。3 is a SEM image of the surface of carbon foam according to Comparative Example 1. 比較例1の炭素フォームより得られるX線CT解析画像である。1 is an X-ray CT analysis image obtained from the carbon foam of Comparative Example 1. 図3の画像のライン及びノード検出を行った画像処理の画像である。This is an image processed by performing line and node detection on the image of FIG. 3. 実施例1による炭素フォーム表面のSEM画像である。1 is a SEM image of the carbon foam surface according to Example 1. 図5を拡大したSEM画像である。This is an enlarged SEM image of FIG. 5.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」と言う。)について、詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described in detail, but the present invention is not limited to the following description, and within the scope of the gist. It can be implemented with various modifications.

[炭素フォーム]
本発明の炭素フォームは、線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、JIS P8125に準拠して測定されるテーバー曲げ剛さが、10gf・cm以上である。
中でも、線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、前記線状部の平均繊維径が0.1~5.0μmであり、JIS P8125に準拠して測定されるテーバー曲げ剛さが、10gf・cm以上である炭素フォームが好ましい。また、線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、少なくとも一部において、炭素フォームの厚み方向をx方向、前記x方向に垂直な方向をy方向、前記x方向及び前記y方向に垂直な方向をz方向とし、300μm×300μm×300μmの領域内に含まれる前記線状部の前記x方向に対する配向角度の平均値をθavex、前記y方向に対する配向角度の平均値をθavey、前記z方向に対する配向角度の平均値をθavez、と定義したときに、前記θavex、前記θavey、前記θavezの中の最大値と最小値との差θcが3°以上であることが好ましい。
[Carbon foam]
The carbon foam of the present invention has a linear portion and a connecting portion that connects the linear portion, and has a Taber bending stiffness of 10 gf·cm or more as measured in accordance with JIS P8125.
Among these, Taber bending has a linear portion and a bonding portion that connects the linear portion, the average fiber diameter of the linear portion is 0.1 to 5.0 μm, and is measured in accordance with JIS P8125. Carbon foam having a stiffness of 10 gf·cm or more is preferred. The carbon foam also has a linear portion and a connecting portion that connects the linear portion, and at least in part, the thickness direction of the carbon foam is the x direction, the direction perpendicular to the x direction is the y direction, the x direction and the The direction perpendicular to the y direction is the z direction, and the average value of the orientation angles of the linear portions with respect to the x direction included in a region of 300 μm x 300 μm x 300 μm is θavex, and the average value of the orientation angles with respect to the y direction is θavey , when the average value of the orientation angles with respect to the z direction is defined as θavez, it is preferable that the difference θ c between the maximum value and the minimum value among the θavex, θavey, and θavez is 3° or more.

本実施形態の炭素フォームは、線状部と該線状部を結合する結合部とを有する炭素フォームであり、線状部が3次元的に連続している構造が、導電性の観点から好ましい。
炭素フォームを構成する少なくとも50%以上が線状部と該線状部を結合する結合部であることが、レドックスフロー電池を形成した際の通液性に優れ、電極表面積が大きく性能が良好である観点から好ましく、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。
なお、線状部と結合部の割合は、炭素フォームの任意の断面において、炭素フォームを構成する部材が占める全面積100%に対する、線状部と結合部とが占める合計面積の割合としてよい。
線状部と結合部以外の構造としては、例えば炭素繊維の断面形状が、円から大きくはずれた構造であり、断面形状の短辺に対する長辺の長さが4倍以上の幅広構造等が挙げられる。電解液の通液性が低下するため、線状部と結合部以外の上記構造の面積は、炭素フォームの任意の断面において、炭素フォームを構成する部分の全面積に対して20%未満が好ましく、より好ましくは10%未満であり、さらに好ましくは5%未満である。
The carbon foam of this embodiment is a carbon foam having a linear portion and a bonding portion that connects the linear portion, and a structure in which the linear portion is three-dimensionally continuous is preferable from the viewpoint of conductivity. .
The fact that at least 50% of the carbon foam is made up of linear parts and bonding parts that connect the linear parts provides excellent liquid permeability when a redox flow battery is formed, and provides a large electrode surface area and good performance. It is preferable from a certain point of view, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more.
Note that the ratio of the linear portion to the bonding portion may be the ratio of the total area occupied by the linear portion and the bonding portion to 100% of the total area occupied by the members constituting the carbon foam in any cross section of the carbon foam.
Examples of structures other than linear parts and joint parts include, for example, a structure in which the cross-sectional shape of the carbon fiber deviates significantly from a circle, and a wide structure in which the length of the long side of the cross-sectional shape is four times or more longer than the short side. It will be done. Since the permeability of the electrolyte decreases, the area of the above-mentioned structure other than the linear part and the joint part is preferably less than 20% of the total area of the parts constituting the carbon foam in any cross section of the carbon foam. , more preferably less than 10%, still more preferably less than 5%.

本実施形態の炭素フォームは、レドックスフロー電池を形成した際の通液性の観点から、連続空隙を持つものが好ましい。また、独立気泡のような、壁状の構造が、任意の炭素フォームの表面又は断面を500倍の倍率で観察したSEM画像において、単位面積当たりの独立気泡の面積割合が、5%以下であることが好ましく、2%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。 The carbon foam of this embodiment preferably has continuous voids from the viewpoint of liquid permeability when forming a redox flow battery. In addition, in a SEM image obtained by observing the surface or cross section of an arbitrary carbon foam at a magnification of 500 times, the area ratio of closed cells per unit area is 5% or less. The content is preferably 2% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 1% or less.

上記炭素フォームは、シート状であることが好ましい。上記炭素フォームは、1層の炭素フォームからなる単層炭素フォームであってもよいし、2層以上の単層炭素フォームからなる積層炭素フォームであってもよい。 The carbon foam is preferably in the form of a sheet. The carbon foam may be a single-layer carbon foam consisting of one layer of carbon foam, or a laminated carbon foam consisting of two or more layers of single-layer carbon foam.

本実施形態の炭素フォームのテーバー曲げ剛さとしては、10gf・cm以上であり、セル組の加圧時に流路への落ち込みを一層抑制し、電解液を通液させる際の圧損を抑制できる観点から、15~200gf・cmが好ましく、より好ましくは20~200gf・cm、さらに好ましくは25~150gf・cmである。また、セル抵抗を一層低減できる観点から、50gf・cm以下であってもよく、30gf・cm以下であってもよい。
なお、テーバー曲げ剛さは、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
テーバー曲げ剛さは、例えば、炭素フォームの平均繊維径、炭素化前の樹脂フォームの浸漬条件(例えば、浸漬前の樹脂フォームの圧縮条件、浸漬する溶液中の樹脂濃度、樹脂フォームに付着した過剰な浸漬溶液を除去する条件等)等により、上記範囲に調整することができる。
The carbon foam of this embodiment has a Taber bending stiffness of 10 gf/cm or more, which is advantageous in that it can further suppress falling into the flow path when pressurizing the cell set, and suppress pressure loss when the electrolyte is passed through. Therefore, it is preferably 15 to 200 gf·cm, more preferably 20 to 200 gf·cm, and still more preferably 25 to 150 gf·cm. Moreover, from the viewpoint of further reducing cell resistance, it may be 50 gf·cm or less, or may be 30 gf·cm or less.
Note that the Taber bending stiffness can be measured by the method described in Examples below.
The Taber bending stiffness is determined by, for example, the average fiber diameter of the carbon foam, the immersion conditions of the resin foam before carbonization (e.g., the compression conditions of the resin foam before immersion, the resin concentration in the solution to be immersed, and the excess adhering to the resin foam. It can be adjusted within the above range by adjusting the conditions for removing the immersion solution, etc.).

本実施形態の炭素フォーム1gあたりの表面積は、反応面積を増大させ、活性化過電圧を低減させる観点から、3m2以上が好ましく、より好ましくは5m2以上、さらに好ましくは10m2以上である。炭素フォーム1gあたりの表面積の上限は、長期使用時の特性変動が少ない観点から、200m2以下が好ましく、より好ましくは180m2以下、さらに好ましくは150m2以下、さらに好ましくは120m2以下、さらに好ましくは100m2以下、さらに好ましくは70m2以下、さらに好ましくは60m2以下、特に好ましくは40m2以下である。
炭素フォーム1gあたりの表面積は、窒素ガス吸着等温線にBET解析法を適用して求めることができる。具体的には、あらかじめ粉砕した試料を200℃にて減圧乾燥したのち、自動窒素ガス吸着試験機(カンタクロームジャパン製、Autosorb1)を用いて測定する。測定温度は液体窒素温度である77Kとする。得られた吸着等温線の相対圧0.05-0.30範囲をBETプロットし、その傾きから表面積を求めることができる。
The surface area per gram of carbon foam of the present embodiment is preferably 3 m 2 or more, more preferably 5 m 2 or more, still more preferably 10 m 2 or more, from the viewpoint of increasing the reaction area and reducing activation overvoltage. The upper limit of the surface area per 1 g of carbon foam is preferably 200 m 2 or less, more preferably 180 m 2 or less, even more preferably 150 m 2 or less, even more preferably 120 m 2 or less, and even more preferably is 100 m 2 or less, more preferably 70 m 2 or less, even more preferably 60 m 2 or less, particularly preferably 40 m 2 or less.
The surface area per gram of carbon foam can be determined by applying the BET analysis method to the nitrogen gas adsorption isotherm. Specifically, a pre-pulverized sample is dried under reduced pressure at 200° C., and then measured using an automatic nitrogen gas adsorption tester (manufactured by Quantachrome Japan, Autosorb 1). The measurement temperature is 77K, which is the liquid nitrogen temperature. The relative pressure range of 0.05-0.30 of the obtained adsorption isotherm is plotted by BET plotting, and the surface area can be determined from the slope.

本実施形態の炭素フォーム1cm3あたりの表面積は、反応面積を増大させ、活性化過電圧を低減させる観点から、0.05m2以上が好ましく、より好ましくは0.1m2以上、さらに好ましくは1m2以上である。炭素フォーム1cm3あたりの表面積の上限は、電解液の通液圧損の観点から、16m2以下が好ましく、より好ましくは10m2以下、さらに好ましくは8m2以下である。
炭素フォーム1cm3あたりの表面積は、前述の炭素フォーム1gあたりの表面積に、かさ密度を乗じて求めることができる。
The surface area per 1 cm 3 of the carbon foam of this embodiment is preferably 0.05 m 2 or more, more preferably 0.1 m 2 or more, and even more preferably 1 m 2 from the viewpoint of increasing the reaction area and reducing activation overvoltage. That's all. The upper limit of the surface area per 1 cm 3 of the carbon foam is preferably 16 m 2 or less, more preferably 10 m 2 or less, and even more preferably 8 m 2 or less, from the viewpoint of the pressure loss of the electrolyte.
The surface area per 1 cm 3 of carbon foam can be determined by multiplying the surface area per 1 g of carbon foam by the bulk density.

本実施形態の炭素フォームは、汎用性の観点から、平面視面積が100cm2以上の表面を有することが好ましく、この表面の面積は、225cm2以上が好ましく、より好ましくは600cm2以上である。また、生産性の観点から、炭素フォームの平面視面積は、60000cm2以下が好ましく、より好ましくは50000cm2以下、さらに好ましくは30000cm2以下、特に好ましくは25000cm2以下である。 From the viewpoint of versatility, the carbon foam of this embodiment preferably has a surface with an area of 100 cm 2 or more in plan view, preferably 225 cm 2 or more, and more preferably 600 cm 2 or more. Further, from the viewpoint of productivity, the planar area of the carbon foam is preferably 60,000 cm 2 or less, more preferably 50,000 cm 2 or less, still more preferably 30,000 cm 2 or less, particularly preferably 25,000 cm 2 or less.

本実施形態の炭素フォームの厚みは、抵抗の観点から、1.0mm以下が好ましく、より好ましくは0.8mm以下、さらに好ましくは0.7mm以下である。上記厚みは、0.1mm以上が好ましく、より好ましくは0.2mm以上である。 From the viewpoint of resistance, the thickness of the carbon foam of this embodiment is preferably 1.0 mm or less, more preferably 0.8 mm or less, still more preferably 0.7 mm or less. The thickness is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.2 mm or more.

<線状部(炭素繊維)の平均繊維径>
本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォームを構成する線状部(炭素繊維)の平均繊維径dは0.1μm以上5.0μm以下であることが好ましい。本明細書において、「炭素繊維の径」は、結合部を繋ぐ線状部の直径を指す。
炭素繊維の平均繊維径は、電極として使用する際の強度の観点、物理的な強度と導電性を確保する観点から、0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.4μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは0.6μm以上、特に好ましくは0.8μm以上である。また、隔膜への突き刺さりを抑止し、膜破れによるショートを抑制できる観点、隔膜表面の劣化抑制の観点、及び平均繊維径が細くなることで表面積が増え、セル抵抗が低減する観点、圧縮挙動時の変形性や復元性の観点から、5.0μm以下が好ましく、より好ましくは4.5μm以下、さらに好ましくは4.0μm以下であり、特に好ましくは3.0μm以下である。
上記平均繊維径は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)で得た像を画像解析することによって求めることができる。具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍の倍率で繊維形状を観察し、得られた観察像から、無作為に選んだ20本の炭素繊維の太さを測定し、この平均太さとして算出することができる。
なお、繊維径は、結合部を繋ぐ線状部の太さのことを指し、上記と同様にして得られた走査型電子顕微鏡の画像から、1本の線状部(炭素繊維)から20箇所を無作為に選んで各箇所の太さを測定し、断面形状が円形であると仮定して、この平均太さ(平均直径)求めることで、各繊維の繊維径を測定することができる。
<Average fiber diameter of linear portion (carbon fiber)>
In the carbon foam of this embodiment, the average fiber diameter d of the linear portions (carbon fibers) constituting the carbon foam is preferably 0.1 μm or more and 5.0 μm or less. In this specification, the "diameter of carbon fiber" refers to the diameter of the linear portion that connects the bonding portions.
The average fiber diameter of the carbon fibers is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, and even more preferably 0.1 μm or more, from the viewpoint of strength when used as an electrode, and from the viewpoint of ensuring physical strength and conductivity. .4 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, even more preferably 0.6 μm or more, particularly preferably 0.8 μm or more. In addition, there are two points of view: preventing puncture into the diaphragm and suppressing short circuits due to membrane tearing, suppressing deterioration of the diaphragm surface, increasing the surface area by decreasing the average fiber diameter and reducing cell resistance, and during compression behavior. From the viewpoint of deformability and restorability, the thickness is preferably 5.0 μm or less, more preferably 4.5 μm or less, even more preferably 4.0 μm or less, particularly preferably 3.0 μm or less.
The average fiber diameter can be determined by analyzing an image obtained with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, the fiber shape was observed at 10,000x magnification using a scanning electron microscope, and from the obtained observation image, the thickness of 20 randomly selected carbon fibers was measured. It can be calculated as the average thickness.
Note that the fiber diameter refers to the thickness of the linear part that connects the joint parts, and from the scanning electron microscope image obtained in the same manner as above, 20 points from one linear part (carbon fiber) were measured. The fiber diameter of each fiber can be measured by randomly selecting the fibers, measuring the thickness at each location, and determining the average thickness (average diameter) assuming that the cross-sectional shape is circular.

本実施形態の炭素フォームにおいて、全線状部に対する、繊維径が5μm超の線状部の割合としては、電解液を通液させる際の通液抵抗が低くなる観点から、10%未満であることが好ましく、より好ましくは5%未満、さらに好ましくは5%未満である。
なお、繊維径が5μm超の線状部の割合は、上述の平均繊維径の方法で得た画像から、無作為に選んだ100本の線状部から求める割合としてよい。
In the carbon foam of this embodiment, the ratio of the linear portions with a fiber diameter of more than 5 μm to the total linear portions should be less than 10% from the viewpoint of lowering the resistance to flowing electrolyte when passing the electrolyte. is preferable, more preferably less than 5%, still more preferably less than 5%.
Note that the proportion of linear parts having a fiber diameter of more than 5 μm may be determined from 100 linear parts randomly selected from the image obtained by the above-mentioned average fiber diameter method.

本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォームを構成する線状部(炭素繊維)の平均繊維長は、15μm以上200μm以下であることが好ましい。本明細書において、「炭素繊維の長さ」は、線状部の長さ、具体的には任意の隣接する結合部の間の長さを指す。
炭素繊維の平均繊維長は、炭素フォームの柔軟性の観点から、15μm以上が好ましく、より好ましくは20μm以上、さらに好ましくは30μm以上である。また、炭素繊維の平均繊維長は、炭素フォームの導電性の観点から、200μm以下が好ましく、より好ましくは150μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。
なお、炭素フォームを構成する線状部(炭素繊維)の平均繊維長は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)像を画像解析することによって求めることができる。具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍の倍率で炭素フォームを観察する。得られた観察像から、無作為に選んだ20か所の隣接する結合部の間の長さを測定する。この平均長さを上記平均繊維長とする。
In the carbon foam of this embodiment, the average fiber length of the linear portions (carbon fibers) constituting the carbon foam is preferably 15 μm or more and 200 μm or less. As used herein, "carbon fiber length" refers to the length of the linear portion, specifically the length between any adjacent bonding portions.
The average fiber length of the carbon fibers is preferably 15 μm or more, more preferably 20 μm or more, and still more preferably 30 μm or more from the viewpoint of flexibility of the carbon foam. Further, the average fiber length of the carbon fibers is preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, and even more preferably 100 μm or less, from the viewpoint of the conductivity of the carbon foam.
Note that the average fiber length of the linear portions (carbon fibers) constituting the carbon foam can be determined by image analysis of a scanning electron microscope (SEM) image. Specifically, the carbon foam is observed using a scanning electron microscope at 10,000x magnification. From the obtained observation image, the lengths between 20 randomly selected adjacent joints are measured. This average length is defined as the above-mentioned average fiber length.

<結合部の数Nnに対する線状部の数Nlの割合R>
本実施形態の炭素フォームにおいて、結合部の数Nnに対する線状部の数Nlの割合Rは、1.3以上1.6以下であることが好ましい。割合Rは、換言すれば、結合部にて分岐する枝分かれの平均数である。Rを1.3以上とするのは、Rが1.3未満の場合には、線状部が結合部で結合した三次元網目状構造を有さず、不織布のように結合していない線状部が接触している構造が考えられるためである。また、Rを1.6以下とするのは、Rが1.6を超えると線状部が帯状の様になった、例えば蜂の巣の様な壁面で覆われた多孔性構造が考えられるためである。
結合部の数Nnに対する線状部の数Nlの割合Rは、より好ましくは1.35以上、さらに好ましくは1.4以上である。また、より好ましくは1.55以下、さらに好ましくは1.52以下である。
<Ratio R of the number N l of linear parts to the number N n of joint parts>
In the carbon foam of this embodiment, the ratio R of the number N l of linear parts to the number N n of bonding parts is preferably 1.3 or more and 1.6 or less. In other words, the ratio R is the average number of branches at the joint. The reason why R is set to be 1.3 or more is that when R is less than 1.3, the linear portions do not have a three-dimensional network structure connected at bonding portions, and the wires are not bonded like a nonwoven fabric. This is because a structure in which the shaped parts are in contact can be considered. Also, the reason why R is set to be 1.6 or less is because if R exceeds 1.6, the linear portion becomes band-like, for example, a porous structure covered with a honeycomb-like wall surface is considered. be.
The ratio R of the number N l of linear parts to the number N n of bonding parts is more preferably 1.35 or more, still more preferably 1.4 or more. Further, it is more preferably 1.55 or less, still more preferably 1.52 or less.

<平面視での空隙割合>
本実施形態の炭素フォームにおいて、平面視で0.5mm×0.5mmの領域内で、空隙を覆う凝集物の面積の割合が50%以下であることが好ましく、30%以下であることが好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。空隙を覆う凝集物の面積の割合は小さいほど好ましい。空隙を覆う凝集物の面積の割合の下限については特に限定はないが、1%以上であってもよく、3%以上であってもよく、5%以上であってもよい。
そして、炭素フォームにおいて、平面視で0.5mm×0.5mmの領域内で、空隙の面積の割合は、50%以上が好ましく、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上である。
なお、上記面積は、炭素フォーム表面をSEMを用いて測定することができる。
<Void ratio in plan view>
In the carbon foam of this embodiment, the area ratio of aggregates covering voids within a 0.5 mm x 0.5 mm area in plan view is preferably 50% or less, and preferably 30% or less. , more preferably 10% or less. It is preferable that the area ratio of the aggregates covering the voids be as small as possible. The lower limit of the area ratio of the aggregates covering the voids is not particularly limited, but may be 1% or more, 3% or more, or 5% or more.
In the carbon foam, the area ratio of voids within an area of 0.5 mm x 0.5 mm in plan view is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and still more preferably 90% or more.
Note that the above area can be measured using a SEM on the surface of the carbon foam.

本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォーム表面上の存在する凝集物の重量は、炭素フォームのテーバー曲げ剛さを向上し流路等への落ち込みを抑制できる観点から、炭素フォーム100に対し、2以上が好ましく、より好ましくは5以上であり、さらに好ましくは8以上である。また、凝集物が炭素フォームの空隙を塞ぐことにより圧損が増加する観点から、炭素フォーム表面上に存在する凝集物の重量は、炭素フォーム100に対し、400以下が好ましく、より好ましくは200以下であり、さらに好ましくは100以下である。
本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォームの表面積に対する、炭素フォーム表面上に存在する凝集物が占める面積の割合は、線状部の耐破断性が一層向上し、流路等への落ち込みを一層抑制でき、表面積が増加してセル抵抗が低減する観点から、1~70%が好ましく、より好ましくは3~50%、さらに好ましくは1~30%である。
上記凝集物としては、樹脂フォームに浸漬したバインダー樹脂が炭素化したものであることが好ましい。
なお、炭素フォームの表面積に対する凝集物が占める面積の割合は、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍等の倍率で炭素フォーム表面を観察し、任意の20箇所において、任意の領域(例えば、10μm×10μmに相当する領域等)の炭素フォームが占める面積、凝集物が占める面積を測定して、算出することができる。なお、上記の算出において、炭素フォームおよび凝集物が占める面積は、得られた画像(一方向から撮影した画像)中に占める、炭素フォーム又は凝集物の割合として良い。
炭素フォームの表面積に対する凝集物が占める面積の割合は、例えば、炭素化前の樹脂フォームの浸漬条件(例えば、浸漬前の樹脂フォームの圧縮条件、浸漬する溶液中の樹脂濃度、樹脂フォームに付着した過剰な浸漬溶液を除去する条件等)、炭化条件等により、調整することができる。
In the carbon foam of this embodiment, the weight of the aggregates present on the surface of the carbon foam is 2% compared to the carbon foam 100, from the viewpoint of improving the Taber bending stiffness of the carbon foam and suppressing dropping into the flow path etc. The number is preferably 5 or more, more preferably 5 or more, and even more preferably 8 or more. In addition, from the viewpoint of increasing pressure loss due to aggregates blocking voids in the carbon foam, the weight of aggregates present on the surface of the carbon foam is preferably 400 or less, more preferably 200 or less, based on 100 carbon foam. Yes, and more preferably 100 or less.
In the carbon foam of this embodiment, the ratio of the area occupied by the aggregates present on the surface of the carbon foam to the surface area of the carbon foam is such that the fracture resistance of the linear portion is further improved, and the drop into the flow path etc. is further improved. From the viewpoint of increasing surface area and reducing cell resistance, it is preferably 1 to 70%, more preferably 3 to 50%, and still more preferably 1 to 30%.
The aggregate is preferably carbonized binder resin immersed in a resin foam.
Note that the ratio of the area occupied by aggregates to the surface area of the carbon foam can be determined by observing the carbon foam surface at a magnification of 10,000 times using a scanning electron microscope, and measuring any area (for example, It can be calculated by measuring the area occupied by carbon foam and the area occupied by aggregates (e.g., an area corresponding to 10 μm×10 μm). In addition, in the above calculation, the area occupied by the carbon foam and the aggregate may be expressed as the ratio of the carbon foam or the aggregate to the obtained image (image taken from one direction).
The ratio of the area occupied by aggregates to the surface area of the carbon foam is determined by, for example, the soaking conditions of the resin foam before carbonization (e.g., the compression conditions of the resin foam before soaking, the resin concentration in the dipping solution, the It can be adjusted by adjusting the conditions for removing excess immersion solution, etc.), the carbonization conditions, etc.

本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォームの上記線状部の表面積に対する、線状部表面上に存在する凝集物が占める面積の割合は、線状部の耐破断性が一層向上し、流路等への落ち込みを一層抑制でき、表面積が増加してセル抵抗が低減する観点から、1~70%が好ましく、より好ましくは3~50%、さらに好ましくは5~30%である。
なお、炭素フォームの線状部の表面積に対する凝集物が占める面積の割合は、測定対象を線状部に変更すること以外は、上述の炭素フォームの表面積に対する凝集物が占める面積の割合と同様にして求めることができる。
炭素フォームの線状部の表面積に対する凝集物が占める面積の割合は、例えば、炭素化前の樹脂フォームの浸漬条件(例えば、浸漬前の樹脂フォームの圧縮条件、浸漬する溶液中の樹脂濃度、樹脂フォームに付着した過剰な浸漬溶液を除去する条件等)、炭化条件等により、調整することができる。
In the carbon foam of this embodiment, the ratio of the area occupied by the aggregates present on the surface of the linear part to the surface area of the linear part of the carbon foam is such that the fracture resistance of the linear part is further improved and the flow path From the viewpoint of further suppressing the drop in the cell resistance and increasing the surface area and reducing the cell resistance, the range is preferably 1 to 70%, more preferably 3 to 50%, and still more preferably 5 to 30%.
The ratio of the area occupied by the aggregates to the surface area of the linear portion of the carbon foam is the same as the ratio of the area occupied by the aggregates to the surface area of the carbon foam described above, except that the measurement target is changed to the linear portion. can be found.
The ratio of the area occupied by the aggregates to the surface area of the linear portion of the carbon foam depends on, for example, the immersion conditions of the resin foam before carbonization (e.g., the compression conditions of the resin foam before immersion, the resin concentration in the solution to be immersed, the resin It can be adjusted by adjusting the conditions such as the conditions for removing excess dipping solution adhering to the foam), the carbonization conditions, etc.

<凝集物の平均直径>
本実施形態の炭素フォームにおいて、炭素フォーム内にある凝集物の平均直径は、400μm以下が好ましく、より好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下である。凝集物の平均直径は、1nm以上であってもよく、5nm以上であってもよく、nmμm以上であってもよく、20nm以上であってもよい。
なお、上記平均直径は、炭素フォーム断面をSEMを用いて測定することができる。
<Average diameter of aggregates>
In the carbon foam of this embodiment, the average diameter of the aggregates within the carbon foam is preferably 400 μm or less, more preferably 100 μm or less, and still more preferably 50 μm or less. The average diameter of the aggregates may be 1 nm or more, 5 nm or more, nmμm or more, or 20 nm or more.
In addition, the said average diameter can be measured using SEM of the carbon foam cross section.

<線状部の配向角度>
炭素フォームは、熱処理炉において、例えばメラミン樹脂フォームを熱処理して炭素化すると、炭素フォームの骨格を構成する炭素繊維が全ての方向に均等に広がった等方的な構造を有するものとなる。このような炭素フォームの場合、300μm×300μm×300μmの領域内に含まれる線状部のx方向に対する配向角度の平均値をθavex、y方向に対する配向角度の平均値をθavey、z方向に対する配向角度の平均値をθavez、と定義したときに、θavex、θavey、θavezの中の最大値と最小値との差θcは通常は1°以下である。
なお、上記三方向は、炭素フォームの厚み方向をx方向、前記x方向に垂直な方向をy方向、前記x方向及び前記y方向に垂直な方向をz方向とする。
<Orientation angle of linear part>
When a melamine resin foam is carbonized by heat treatment in a heat treatment furnace, the carbon foam has an isotropic structure in which the carbon fibers forming the skeleton of the carbon foam are spread evenly in all directions. In the case of such carbon foam, the average value of the orientation angle with respect to the x direction of the linear portion included in a region of 300 μm × 300 μm × 300 μm is θavex, the average value of the orientation angle with respect to the y direction is θavey, and the orientation angle with respect to the z direction is When the average value of is defined as θavez, the difference θc between the maximum value and the minimum value among θavex, θavey, and θavez is usually 1° or less.
Note that the above three directions include the thickness direction of the carbon foam as the x direction, the direction perpendicular to the x direction as the y direction, and the direction perpendicular to the x direction and the y direction as the z direction.

ただし、メラミン樹脂フォームを熱処理して炭素化する際に、炭素フォームの原料となる樹脂フォームに圧縮応力を印加すると、炭素繊維の拡がりに異方性を有する骨格構造の炭素フォームが得られる。このような炭素フォームの場合、圧縮荷重が印加された際にも、炭素繊維(線状部)の破断を抑制して粉落ちを低減したり、高い復元性を実現したりすることができる。この効果を得るために、本実施形態の炭素フォームは、上記差θcが3°以上であることが好ましく、より好ましくは5°以上、さらに好ましくは8°以上である。 However, when compressive stress is applied to the resin foam that is the raw material of the carbon foam when heat-treating and carbonizing the melamine resin foam, a carbon foam with a skeletal structure having anisotropy in the spread of carbon fibers can be obtained. In the case of such a carbon foam, even when a compressive load is applied, it is possible to suppress breakage of carbon fibers (linear parts), reduce powder falling, and achieve high resilience. In order to obtain this effect, in the carbon foam of the present embodiment, the difference θc is preferably 3° or more, more preferably 5° or more, and even more preferably 8° or more.

本実施形態の炭素フォーム中の少なくとも一部に上記θavex、θavey、θavezの規定を満たす縦300μm×横300μm×高さ300μmの領域部分が含まれていれば好ましく、50体積%以上で上記角度規定を満たしていればより好ましく、75体積%以上で上記密度範囲を満たしていればさらに好ましく、炭素フォームの任意の箇所で上記角度規定を満たしていることが特に好ましい。 It is preferable that at least a part of the carbon foam of the present embodiment includes an area portion of 300 μm in length x 300 μm in width x 300 μm in height that satisfies the above-mentioned specifications of θavex, θavey, and θavez, and 50% by volume or more satisfies the above-mentioned angle specifications. It is more preferable that the carbon foam satisfies the above density range, and it is even more preferable that the above density range is satisfied at 75% by volume or more, and it is particularly preferable that the above angle regulation is satisfied at any part of the carbon foam.

<結合部の密度>
本実施形態の炭素フォームの結合部の密度は、圧縮荷重を印加された際の復元性の観点から、8,000個/mm3以上が好ましく、より好ましくは15,000個/mm3以上、さらに好ましくは30,000個/mm3以上、特に好ましくは50,000個/mm3以上である。また、炭素フォームの柔軟性の観点から、5,000,000個/mm3以下が好ましく、より好ましくは4,000,000個/mm3以下である。
<Density of joint>
The density of the bonded portion of the carbon foam of this embodiment is preferably 8,000 pieces/mm 3 or more, more preferably 15,000 pieces/mm 3 or more, from the viewpoint of resilience when compressive load is applied. More preferably 30,000 pieces/mm 3 or more, particularly preferably 50,000 pieces/mm 3 or more. Further, from the viewpoint of flexibility of the carbon foam, the number is preferably 5,000,000 pieces/mm 3 or less, more preferably 4,000,000 pieces/mm 3 or less.

本実施形態の炭素フォーム中の少なくとも一部にこの結合部の密度を満たす箇所があれば好ましく、50体積%以上で上記密度範囲を満たしていればより好ましく、75体積%以上で上記密度範囲を満たしていればさらに好ましく、炭素フォームの任意の箇所で上記密度範囲を満たしていることが特に好ましい。 It is preferable that at least a part of the carbon foam of this embodiment has a part that satisfies the density of the bonded part, more preferably that the density is 50% by volume or more, and it is more preferable that the density is within the above density range by 75% by volume or more. It is more preferable if the above density range is satisfied, and it is particularly preferable that the above density range is satisfied at any part of the carbon foam.

また、本明細書において、上記結合部の数Nn、線状部の数Nl、結合部の密度及び配向角度θは、X線CT(Computerized Tomography)装置を用いて炭素フォームを撮影し、得られた断層像データから、前処理としてMedian filterを使用した後に、大津の二値化アルゴリズム(大津 展之著、「判別および最小2乗規準に基づく自動しきい値選定法」、電子情報通信学会論文誌D、Vol.J63-D、No.4、pp.346-356(1980)参照)を用いて構造と空間に領域分割し、炭素フォームの内部を含めた構造の三次元画像を作製し、得られた三次元画像から構造解析ソフトウェアを用いて求めた値である。 In addition, in this specification, the number N n of the bonded portions, the number N l of the linear portions, the density of the bonded portions, and the orientation angle θ are determined by photographing the carbon foam using an X-ray CT (Computerized Tomography) device, From the obtained tomographic image data, after using the median filter as preprocessing, Otsu's binarization algorithm (Nobuyuki Otsu, "Automatic threshold selection method based on discriminant and least squares criterion", Electronic Information and Communication) D, Vol. J63-D, No. 4, pp. 346-356 (1980)) was used to divide the region into structure and space, and create a three-dimensional image of the structure including the inside of the carbon foam. This is the value determined using structural analysis software from the obtained three-dimensional image.

具体的には、結合部の数Nn及び線状部の数Nlは、上述のように得られた三次元画像に含まれる結合部及び線状部を検出し、その数をカウントすることにより求める。こうして得られたNn及びNlから、Nnに対するNlの割合Rを求めることができる。 Specifically, the number of joints N n and the number N l of linear parts are determined by detecting the joints and linear parts included in the three-dimensional image obtained as described above and counting the number. Find it by From N n and N l obtained in this way, the ratio R of N l to N n can be determined.

さらに、線状部の配向角度θは、線状部の両端の結合部を結ぶ直線と各方向との間の角度であり、上記三次元画像において互いに直交する三方向の各々に対して求め、各方向について、線状部の配向角度の平均値を求める。 Furthermore, the orientation angle θ of the linear part is the angle between each direction and the straight line connecting the joints at both ends of the linear part, and is determined for each of the three mutually orthogonal directions in the three-dimensional image, For each direction, the average value of the orientation angles of the linear portions is determined.

炭素フォームの構造解析に用いるCT装置としては、低エネルギー高輝度X線によるCT装置、例えば株式会社リガク製の高分解能3DX線顕微鏡nano3DXを用いることができる。また、画像処理並びに構造解析には、例えば株式会社JSOL社製のソフトウェアsimplewareのCenterline editorを用いることができる。
なお、結合部の数Nn、線状部の数Nl、結合部の密度及び配向角度θの測定方法は、具体的には、実施例に記載の測定方法で測定することができる。
As a CT device used for structural analysis of the carbon foam, a CT device using low-energy, high-intensity X-rays, such as a high-resolution 3D X-ray microscope nano3DX manufactured by Rigaku Co., Ltd., can be used. Further, for image processing and structural analysis, for example, Centerline editor of the software Simpleware manufactured by JSOL Co., Ltd. can be used.
Note that the number N n of bonded portions, the number N l of linear portions, the density of bonded portions, and the orientation angle θ can be specifically measured by the measuring methods described in Examples.

<炭素含有率>
本実施形態の炭素フォームの炭素含有率は、導電性の観点から、好適には51質量%以上、60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上、80質量%以上、85質量%以上、90質量%以上である。上限は特に限定は無いが、100質量%以下であってもよく、99質量%以下であってもよく、98質量%以下であってもよい。
なお、炭素フォームの炭素含有率は、蛍光X線測定から求めることができ、具体的には後述の実施例に記載の方法で求めることができる。
<Carbon content>
From the viewpoint of conductivity, the carbon content of the carbon foam of this embodiment is preferably 51% by mass or more, 60% by mass or more, 65% by mass or more, 70% by mass or more, 75% by mass or more, 80% by mass or more. , 85% by mass or more, and 90% by mass or more. The upper limit is not particularly limited, but may be 100% by mass or less, 99% by mass or less, or 98% by mass or less.
The carbon content of the carbon foam can be determined by fluorescent X-ray measurement, and specifically by the method described in Examples below.

<空隙率>
本実施形態の炭素フォームの空隙率は、柔軟性の観点から、70%以上が好ましく、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは85%以上、特に好ましくは86%以上である。上限は特に限定は無いが、99.5%以下が好ましく、より好ましくは99%以下、さらに好ましくは95%以下である。
なお、本明細書において、空隙率は、かさ密度(後述)及び真密度(後述)から求めた値である。かさ密度は、炭素フォームに含まれる空隙も含めた体積に基づいた密度である。これに対して、真密度は、炭素フォームの材料が占める体積に基づいた密度である。
<Porosity>
From the viewpoint of flexibility, the porosity of the carbon foam of this embodiment is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 85% or more, and particularly preferably 86% or more. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 99.5% or less, more preferably 99% or less, even more preferably 95% or less.
Note that in this specification, porosity is a value determined from bulk density (described later) and true density (described later). Bulk density is the density based on the volume, including voids, contained in the carbon foam. True density, on the other hand, is the density based on the volume occupied by the material of the carbon foam.

[かさ密度の測定]
まず、ノギス等を用いて炭素フォームの寸法を測定し、得られた寸法から、炭素フォームのかさ体積Vbulkを求める。次に、精密天秤を用いて、炭素フォームの質量Mを測定する。得られた質量M及びかさ体積Vbulkから、下記の式(1)を用いて炭素フォームのかさ密度ρbulkを求めることができる。
ρbulk=M/Vbulk ・・・(1)
かさ密度は、電極として用いた際の抵抗を下げる観点から、3.0kgm-3以上が好ましく、より好ましくは3.5kgm-3以上、さらに好ましくは4.0kgm-3以上である。また、炭素フォームの柔軟性の観点から、400kgm-3以下が好ましく、より好ましくは300kgm-3以下、さらに好ましくは200kgm-3以下である。
[Measurement of bulk density]
First, the dimensions of the carbon foam are measured using a caliper or the like, and the bulk volume V bulk of the carbon foam is determined from the obtained dimensions. Next, the mass M of the carbon foam is measured using a precision balance. From the obtained mass M and bulk volume V bulk , the bulk density ρ bulk of the carbon foam can be determined using the following equation (1).
ρ bulk = M/V bulk ...(1)
From the viewpoint of lowering the resistance when used as an electrode, the bulk density is preferably 3.0 kgm -3 or more, more preferably 3.5 kgm -3 or more, and even more preferably 4.0 kgm -3 or more. In addition, from the viewpoint of flexibility of the carbon foam, it is preferably 400 kgm -3 or less, more preferably 300 kgm -3 or less, still more preferably 200 kgm -3 or less.

[真密度の測定]
炭素フォームの真密度ρrealは、n-ヘプタン、四塩化炭素及び二臭化エチレンからなる混合液を用いて浮沈法によって求めることができる。具体的には、まず、共栓試験管に適当なサイズの炭素フォームを入れる。次に、3種の溶媒を適宜混合して試験管に加え、30℃の恒温槽に漬ける。試料片が浮く場合は、低密度であるn-ヘプタンを加える。一方、試験片が沈む場合は、高密度である二臭化エチレンを加える。この操作を繰り返して、試験片が液中に漂うようにする。最後に、液の密度をゲーリュサック比重瓶を用いて測定する。
[Measurement of true density]
The true density ρ real of the carbon foam can be determined by the float-sink method using a liquid mixture consisting of n-heptane, carbon tetrachloride, and ethylene dibromide. Specifically, first, carbon foam of an appropriate size is placed in a stoppered test tube. Next, three types of solvents are appropriately mixed, added to a test tube, and placed in a constant temperature bath at 30°C. If the sample piece floats, add n-heptane, which has a lower density. On the other hand, if the test piece sinks, add ethylene dibromide, which has a high density. Repeat this operation until the test piece floats in the liquid. Finally, the density of the liquid is measured using a Gerussac pycnometer.

[空隙率の算出]
上述のように求めたかさ密度ρbulk及び真密度ρrealから、下記の式(2)を用いて空隙率Vf,poreを求めることができる。
f,pore=((1/ρbulk)-(1/ρreal))/(1/ρbulk)×100 (%)・・・(2)
[Calculation of porosity]
From the bulk density ρ bulk and true density ρ real determined as described above, the porosity V f,pore can be determined using the following equation (2).
V f,pore = ((1/ρ bulk )-(1/ρ real ))/(1/ρ bulk )×100 (%)...(2)

<結晶子サイズ>
本実施形態の炭素フォームの結晶子サイズLcは、1.1nm以上が好ましく、導電性の観点からは、1.5nm以上がより好ましい。また、物理的な脆弱性の点から、4.0nm以下が好ましく、より好ましくは3.0nm以下である。
<Crystallite size>
The crystallite size Lc of the carbon foam of this embodiment is preferably 1.1 nm or more, and more preferably 1.5 nm or more from the viewpoint of conductivity. Further, from the viewpoint of physical fragility, the thickness is preferably 4.0 nm or less, more preferably 3.0 nm or less.

<酸素原子の割合>
本実施形態の炭素フォームの、蛍光X線分析による表面分析で測定される酸素原子の割合は、電解液への濡れ性の観点から、0.03質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05質量%以上、さらに好ましくは0.07質量%以上である。また、電極の抵抗の観点から、10質量%以下が好ましく、より好ましくは5質量%以下、さらに好ましくは3質量%以下である。
<Ratio of oxygen atoms>
The proportion of oxygen atoms in the carbon foam of this embodiment measured by surface analysis using fluorescent X-ray analysis is preferably 0.03% by mass or more, more preferably 0.05% by mass from the viewpoint of wettability to the electrolytic solution. It is at least 0.07% by mass, more preferably at least 0.07% by mass. Further, from the viewpoint of the resistance of the electrode, the content is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and still more preferably 3% by mass or less.

本実施形態の炭素フォームは、欠陥のない単一の部材で構成された炭素フォームであることが好ましい。本実施形態において、「欠陥」とは、上記面積が100cm2以上である表面Sを通り、炭素フォームを貫通する貫通孔Hであって、上記表面Sにおける面積が2000mm2以上のものを意味している。つまり、本実施形態の炭素フォームは、上記表面Sにおける面積が2000mm2以上の貫通孔Hを含まない炭素フォームであることが好ましい。なお、上記表面Sは、単一の面で構成された表面を意味しており、例えば多面体表面の隣接する複数の面で構成された表面は含まない。 The carbon foam of this embodiment is preferably a carbon foam constructed from a single member without defects. In this embodiment, the term "defect" refers to a through hole H that passes through the carbon foam through the surface S with an area of 100 cm 2 or more, and has an area of 2000 mm 2 or more on the surface S. ing. That is, the carbon foam of this embodiment is preferably a carbon foam that does not include through holes H having an area of 2000 mm 2 or more on the surface S. Note that the above-mentioned surface S means a surface composed of a single plane, and does not include, for example, a surface composed of a plurality of adjacent planes of a polyhedral surface.

本実施形態の炭素フォームにおいて、上記貫通孔Hの有無は、目視検査、並びに光源及び光検出器を備える検査装置(例えば、ピンホール検査機)を用いた検査により評価する。具体的には、まず上記表面Sを目視で観察し、貫通孔Hの有無を評価する。目視により貫通孔Hの存在が確認できなかった場合には、検査装置を用いた検査を行う。具体的には、炭素フォームの表面S側に光源を、表面Sの反対側の表面に光検出器をそれぞれ配置する。そして、光源から光を炭素フォームの表面Sに向けて照射する。すると、炭素フォームに貫通孔Hが存在する場合には、照射された光が貫通孔Hを通過して光検出器に到達する。こうして、貫通孔Hを検出できる。なお、光源及び光検出器の配置は、逆にしてもよい。現在市販されているピンホール検査機等の検査装置を用いることにより、数μm径のピンホールを検出することが可能であり、面積が2000mm2以上の貫通孔であれば、万一上記目視検査で見逃していたとしても確実に検出することができる。 In the carbon foam of this embodiment, the presence or absence of the through holes H is evaluated by visual inspection and inspection using an inspection device (for example, a pinhole inspection machine) equipped with a light source and a photodetector. Specifically, first, the surface S is visually observed to evaluate the presence or absence of the through hole H. If the presence of the through hole H cannot be visually confirmed, an inspection using an inspection device is performed. Specifically, a light source is placed on the surface S side of the carbon foam, and a photodetector is placed on the surface opposite to the surface S. Then, light is irradiated from the light source toward the surface S of the carbon foam. Then, if the carbon foam has through-holes H, the irradiated light passes through the through-holes H and reaches the photodetector. In this way, the through hole H can be detected. Note that the arrangement of the light source and the photodetector may be reversed. By using inspection equipment such as pinhole inspection machines currently on the market, it is possible to detect pinholes with a diameter of several μm, and if the through hole has an area of 2000 mm 2 or more, the above visual inspection is possible. Even if it is missed, it can be reliably detected.

上記検査により貫通孔Hが検出された場合には、表面Sでの貫通孔Hの面積を測定する。この面積の測定は、マイクロスコープ又は電子顕微鏡を用いて測定することができる。本実施形態においては、上記光源及び光検出器を用いた検査によって貫通孔Hが検出されなかった炭素フォーム、及び貫通孔Hが検出されたものの、その面積が2000mm2未満である場合には、欠陥のない炭素フォームとみなして本実施形態に含める。これに対して、貫通孔の面積が2000mm2以上の場合には、欠陥のある炭素フォームとして本実施形態に含めない。 When the through hole H is detected by the above inspection, the area of the through hole H on the surface S is measured. This area can be measured using a microscope or an electron microscope. In this embodiment, in the case of a carbon foam in which no through hole H was detected by the inspection using the light source and photodetector, and in the case where a through hole H was detected but the area was less than 2000 mm 2 , It is included in this embodiment as a carbon foam without defects. On the other hand, if the area of the through hole is 2000 mm 2 or more, the carbon foam is considered to be defective and is not included in this embodiment.

なお、貫通孔Hの形状は限定されず、亀裂状や線状のものも貫通孔Hに含まれる。また、炭素フォームを製造後、セルに組み込むために加工により空けた穴のように、使用の際に後から加工により空けた穴は、欠陥ではないため、貫通孔には含まれない。
また、上記表面Sに複数の貫通孔Hが存在する場合には、それら各々の面積が2000mm2未満の場合には本実施形態に含め、1つでも面積が2000mm2以上の場合には本実施形態に含めない。
Note that the shape of the through-hole H is not limited, and the through-hole H includes crack-like and linear shapes. In addition, holes that are made after the carbon foam is used, such as holes that are made by processing to incorporate the carbon foam into cells, are not defects and are therefore not included in the through-holes.
In addition, if there are multiple through holes H on the surface S, if the area of each of them is less than 2000 mm2 , they are included in this embodiment, and if the area of at least one of them is 2000 mm2 or more, this embodiment is included. Not included in the form.

本実施形態の炭素フォームは、電極の強度の観点から、面積が2000mm2以上の貫通孔がないことが好ましく、面積が1000mm2以上の貫通孔がないことがより好ましく、面積が500mm2以上の貫通孔がないことがさらに好ましく、面積が100mm2以上の貫通孔がないことがさらに好ましく、面積が10mm2以上の貫通孔がないことが特に好ましい。 From the viewpoint of the strength of the electrode, the carbon foam of this embodiment preferably has no through holes with an area of 2000 mm 2 or more, more preferably has no through holes with an area of 1000 mm 2 or more, and has an area of 500 mm 2 or more. It is more preferable that there are no through holes, it is even more preferable that there are no through holes that have an area of 100 mm 2 or more, and it is particularly preferable that there are no through holes that have an area of 10 mm 2 or more.

また、本実施形態の炭素フォームは、電極として使用した際の強度やハンドリングの観点から、面積が2000mm2以上の貫通孔がない領域が4000mm2以上あることが好ましく、6000mm2以上あることがより好ましく、8000mm2以上あることがさらに好ましく、10000mm2以上あることがよりさらに好ましい。 In addition, from the viewpoint of strength and handling when used as an electrode, the carbon foam of this embodiment preferably has an area of 4000 mm 2 or more without through holes with an area of 2000 mm 2 or more, and more preferably 6000 mm 2 or more. It is preferably 8,000 mm 2 or more, more preferably 10,000 mm 2 or more, and even more preferably 10,000 mm 2 or more.

また、本実施形態の炭素フォームは、面積が1000mm2以上の貫通孔がない領域が2000mm2以上あることが好ましく、4000mm2以上あることがより好ましく、6000mm2以上あることがさらに好ましく、8000mm2以上あることがよりさらに好ましく、10000mm2以上あることが特に好ましい。 Further, in the carbon foam of this embodiment, the area without through holes with an area of 1000 mm 2 or more is preferably 2000 mm 2 or more, more preferably 4000 mm 2 or more, even more preferably 6000 mm 2 or more, and even more preferably 8000 mm 2 It is even more preferable that the area is at least 10,000 mm 2 , particularly preferably at least 10,000 mm 2 .

また、本実施形態の炭素フォームは、面積が500mm2以上の貫通孔がない領域が1000mm2以上あることが好ましく、より好ましくは2000mm2以上、4000mm2以上、6000mm2以上、8000mm2以上、10000mm2以上である。 Further, the carbon foam of this embodiment preferably has an area of 1000 mm 2 or more without through holes with an area of 500 mm 2 or more, more preferably 2000 mm 2 or more, 4000 mm 2 or more, 6000 mm 2 or more, 8000 mm 2 or more, or 10000 mm. 2 or more.

また、本実施形態の炭素フォームは、面積が100mm2以上の貫通孔がない領域が200mm2以上あることが好ましく、より好ましくは500mm2以上、1000mm2以上、2000mm2以上、4000mm2以上、6000mm2以上、8000mm2以上、10000mm2以上である。 Further, the carbon foam of this embodiment preferably has an area of 200 mm 2 or more without through holes with an area of 100 mm 2 or more, more preferably 500 mm 2 or more, 1000 mm 2 or more, 2000 mm 2 or more, 4000 mm 2 or more, or 6000 mm. 2 or more, 8,000 mm 2 or more, or 10,000 mm 2 or more.

また、本実施形態の炭素フォームは、面積が10mm2以上の貫通孔がない領域が20mm2以上あることが好ましく、より好ましくは100mm2以上、500mm2以上、1000mm2以上、2000mm2以上、4000mm2以上、6000mm2以上、8000mm2以上、10000mm2以上である。 Further, the carbon foam of this embodiment preferably has an area of 20 mm 2 or more without through holes with an area of 10 mm 2 or more, more preferably 100 mm 2 or more, 500 mm 2 or more, 1000 mm 2 or more, 2000 mm 2 or more, or 4000 mm. 2 or more, 6000 mm 2 or more, 8000 mm 2 or more, or 10000 mm 2 or more.

本実施形態の炭素フォームは、線状部の破断や落ち込みが少ないため、空洞、凹凸等の平らでない表面を有する部材に圧力をかけて密着させて用いる用途に適している。具体的には、燃料電池用途、レドックスフロー電池用途、水電解用途等に用いることができる。
なお、本実施形態の炭素フォームは、線状部が破断しにくく、粉落ちが少ないため、表面が平らな部材に密着させて用いる用途にも用いることができる。
The carbon foam of this embodiment is suitable for use by applying pressure and bringing it into close contact with a member having an uneven surface, such as a cavity or an uneven surface, because the linear portion is less prone to breakage or depression. Specifically, it can be used for fuel cells, redox flow batteries, water electrolysis, etc.
Note that the carbon foam of this embodiment is difficult to break in the linear portions and has little powder falling off, so it can also be used in applications in which it is brought into close contact with a member having a flat surface.

(炭素フォームの製造方法)
本実施形態の炭素フォームの製造方法としては、例えば、樹脂フォームを圧縮するプレス工程、圧縮した樹脂フォームをバインダー樹脂を含む浸漬溶液に浸漬する浸漬工程、浸漬した樹脂フォームを炭素化する炭素化工程、を含む方法等が挙げられる。上記製造方法において、炭素化した樹脂フォームを酸化する酸化工程をさらに含んでいてもよい。
(Method for manufacturing carbon foam)
The method for manufacturing the carbon foam of this embodiment includes, for example, a pressing step of compressing the resin foam, a dipping step of immersing the compressed resin foam in a dipping solution containing a binder resin, and a carbonization step of carbonizing the soaked resin foam. , and the like. The above manufacturing method may further include an oxidation step of oxidizing the carbonized resin foam.

-プレス工程-
本実施形態の炭素フォームの製造の原料となる樹脂フォームとしては、メラミン樹脂フォーム;ウレタン樹脂フォーム;フェノール樹脂フォーム;アクリロニトリル樹脂フォーム;等の炭素フォームの原料として公知の任意の樹脂フォームが挙げられる。中でも、線状部の径のサイズと均一性の観点から、メラミン樹脂フォームが好ましい。
-Press process-
Examples of the resin foam used as a raw material for producing the carbon foam of this embodiment include any resin foam known as a raw material for carbon foam, such as melamine resin foam; urethane resin foam; phenol resin foam; acrylonitrile resin foam; Among these, melamine resin foam is preferred from the viewpoint of the size and uniformity of the diameter of the linear portion.

上記メラミン樹脂フォームとしては、例えば、メラミン類とホルムアルデヒドとの前縮合物、乳化剤、発泡剤、硬化剤、及び必要に応じて周知の充填剤等とを含有する水溶液または分散液を発泡処理した後、硬化処理を施すことにより製造することができる。発泡処理及び硬化処理は、使用する発泡剤の種類等に応じて設定される温度(例えば、発泡剤の沸点以上の温度等)に、上記成分からなる溶液を加熱すればよい。 The above-mentioned melamine resin foam is produced after foaming an aqueous solution or dispersion containing, for example, a precondensate of melamines and formaldehyde, an emulsifier, a blowing agent, a hardening agent, and, if necessary, a well-known filler. It can be manufactured by performing a hardening treatment. The foaming treatment and the curing treatment may be performed by heating a solution consisting of the above-mentioned components to a temperature set depending on the type of foaming agent used (for example, a temperature equal to or higher than the boiling point of the foaming agent).

上記メラミン類としては、メラミン、グアナミン、N-ブチルメラミン、N-フェニルメラミン、N,N-ジフェニルメラミン、N,N-ジアリルメラミン、N,N’,N”-トリフェニルメラミン、N,N’,N”-トリメチロールメラミン、ベンゾグアナミン、2,4-ジアミノ-6-メチル-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-ブチル-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-ベンジルオキシ-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-ブトキシ-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-シクロヘキシル-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-クロロ-1,3,5-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-メルカプト-1,3,5-トリアジン、アメリン(N,N,N’,N’-テトラシアノエチルベンゾグアナミン)等が挙げられる。上記メラミン類は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記前縮合物は、メラミン類、ホルムアルデヒド以外の単量体を用いてもよい。
上記前縮合物としては、例えばメラミン類:ホルムアルデヒド=1:1.5~1:4、平均分子量が200~1000のものを使用することができる。
縮合の条件としては、例えば、pH7~10、温度70~100℃等が挙げられる。
The melamines mentioned above include melamine, guanamine, N-butylmelamine, N-phenylmelamine, N,N-diphenylmelamine, N,N-diallylmelamine, N,N',N''-triphenylmelamine, N,N' , N''-trimethylolmelamine, benzoguanamine, 2,4-diamino-6-methyl-1,3,5-triazine, 2,4-diamino-6-butyl-1,3,5-triazine, 2,4- Diamino-6-benzyloxy-1,3,5-triazine, 2,4-diamino-6-butoxy-1,3,5-triazine, 2,4-diamino-6-cyclohexyl-1,3,5-triazine , 2,4-diamino-6-chloro-1,3,5-triazine, 2,4-diamino-6-mercapto-1,3,5-triazine, amerine (N,N,N',N'-tetra cyanoethylbenzoguanamine), etc. The above-mentioned melamines may be used alone or in combination of two or more.
Monomers other than melamines and formaldehyde may be used for the above-mentioned precondensate.
As the above-mentioned precondensate, for example, one having a melamine:formaldehyde ratio of 1:1.5 to 1:4 and an average molecular weight of 200 to 1000 can be used.
Conditions for condensation include, for example, pH 7 to 10 and temperature 70 to 100°C.

上記乳化剤としては、アルキルスルホン酸、アリールスルホン酸のナトリウム塩等が挙げられる。上記乳化剤は、上記前縮合物100質量%に対して、0.5~5質量%の割合で用いることができる。 Examples of the emulsifier include sodium salts of alkylsulfonic acids and arylsulfonic acids. The emulsifier may be used in an amount of 0.5 to 5% by weight based on 100% by weight of the precondensate.

上記発泡剤としては、ペンタン、ヘキサン、トリクロロフルオロメタン、トリクロロトリフルオロエタン、ヒドロキシフルオロエーテル等が挙げられる。上記発泡剤は、上記前縮合物100質量%に対して、1~50質量%の割合で用いることができる。 Examples of the blowing agent include pentane, hexane, trichlorofluoromethane, trichlorotrifluoroethane, hydroxyfluoroether, and the like. The blowing agent may be used in an amount of 1 to 50% by weight based on 100% by weight of the precondensate.

上記硬化剤としては、塩酸、硫酸、蟻酸等が挙げられる。上記硬化剤は、上記前縮合物100質量%に対して、0.01~20質量%の割合で用いることができる。 Examples of the curing agent include hydrochloric acid, sulfuric acid, formic acid, and the like. The curing agent may be used in an amount of 0.01 to 20% by weight based on 100% by weight of the precondensate.

上記メラミン樹脂フォームとしては、例えば特開平4-349178号公報に開示されている方法により製造されるメラミン/ホルムアルデヒド縮合発泡体を用いることができる。
また、上記ウレタン樹脂フォーム、上記フェノール樹脂フォーム、上記アクリロニトリル樹脂フォームは、適宜、公知の方法により製造することができる。
As the melamine resin foam, for example, a melamine/formaldehyde condensation foam produced by the method disclosed in JP-A-4-349178 can be used.
Further, the urethane resin foam, the phenol resin foam, and the acrylonitrile resin foam can be appropriately produced by a known method.

上記樹脂フォームのかさ密度としては、0.001~0.1g/cm3であることが好ましく、より好ましくは0.005~0.02g/cm3である。
また、上記樹脂フォームの空隙率としては、60~99.9%であることが好ましく、より好ましくは80~99%である。
The bulk density of the resin foam is preferably 0.001 to 0.1 g/cm 3 , more preferably 0.005 to 0.02 g/cm 3 .
Further, the porosity of the resin foam is preferably 60 to 99.9%, more preferably 80 to 99%.

上記プレス工程において樹脂フォームにかける圧力としては、多孔性構造を維持し、電解液の通液性を確保する観点から、0.1~50MPaが好ましく、より好ましくは0.5~10MPaである。 The pressure applied to the resin foam in the above pressing step is preferably 0.1 to 50 MPa, more preferably 0.5 to 10 MPa, from the viewpoint of maintaining the porous structure and ensuring the permeability of the electrolyte.

上記プレス工程において樹脂フォームに圧力をかける時間としては、多孔性構造を維持し、電解液の通液性を確保する観点から、1~300分間が好ましく、より好ましくは5~80分間である。 The time for applying pressure to the resin foam in the above pressing step is preferably 1 to 300 minutes, more preferably 5 to 80 minutes, from the viewpoint of maintaining the porous structure and ensuring permeability of the electrolyte.

上記プレス工程は、加熱下で行ってもよい。
上記プレス工程において樹脂フォームに圧力をかける際の温度としては、プレス後形状維持の観点から、200~600℃が好ましく、より好ましくは300~400℃である。
The above pressing step may be performed under heating.
The temperature at which pressure is applied to the resin foam in the above pressing step is preferably 200 to 600°C, more preferably 300 to 400°C, from the viewpoint of maintaining the shape after pressing.

上記プレス工程において、圧力をかけた後は、冷却をした後(例えば、室温まで冷却をした後)、浸漬工程を行うことが好ましい。 In the above pressing step, after applying pressure, it is preferable to perform a dipping step after cooling (for example, after cooling to room temperature).

-浸漬工程-
上記浸漬溶液に含まれるバインダー樹脂としては、炭素化工程で炭素化する樹脂であることが好ましく、有機樹脂が挙げられ、ポリ塩化ビニルラテックス、サランラテックス、熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂、熱硬化性ポリイミド、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましく、結着性と炭素化収率の観点からサランラテックスが好ましい。
-Soaking process-
The binder resin contained in the above dipping solution is preferably a resin that carbonizes in the carbonization step, and includes organic resins, such as thermoplastic resins such as polyvinyl chloride latex, Saran latex, thermoplastic polyimide, and thermosetting resins. Thermosetting resins such as polyimide and phenol resin are preferred, and Saran latex is preferred from the viewpoint of binding properties and carbonization yield.

上記浸漬溶液は、上記バインダー樹脂が分散媒で希釈されていることが好ましい。
上記分散媒としては、γ-ブチロラクトン、N-メチルピロリドン等の有機溶媒、水等が挙げられる。中でも、乾燥速度と粘度安定性の観点から、水が好ましい。
In the dipping solution, the binder resin is preferably diluted with a dispersion medium.
Examples of the dispersion medium include organic solvents such as γ-butyrolactone and N-methylpyrrolidone, and water. Among these, water is preferred from the viewpoint of drying speed and viscosity stability.

上記浸漬溶液中のバインダー樹脂の固形分濃度は、線状部が一層破損しにくく、セル組の際流路への落ち込みを一層抑制できる炭素フォームが得られる観点から、0.1~50質量%が好ましく、より好ましくは0.5~20質量%、さらに好ましくは1~10質量%、特に好ましくは2~5質量%である。 The solid content concentration of the binder resin in the above dipping solution is 0.1 to 50% by mass from the viewpoint of obtaining a carbon foam whose linear parts are more difficult to break and which can further suppress falling into the flow path during cell assembly. The amount is preferably 0.5 to 20% by weight, still more preferably 1 to 10% by weight, particularly preferably 2 to 5% by weight.

樹脂フォームを浸漬溶液に浸漬する方法としては、特に制限されず、公知の方法を用いることができる。具体的には、浸漬溶液に樹脂フォームをディップする方法、樹脂フォームに浸漬溶液を通液させる方法、樹脂フォームの少なくとも一方向から浸漬溶液をスプレーで吹き付ける方法、樹脂フォームの少なくとも一方向から浸漬溶液を塗布する方法等が挙げられる。 The method for dipping the resin foam in the dipping solution is not particularly limited, and any known method can be used. Specifically, the methods include dipping the resin foam in a dipping solution, passing the dipping solution through the resin foam, spraying the dipping solution from at least one direction of the resin foam, and applying the dipping solution from at least one direction of the resin foam. For example, a method of applying .

上記浸漬工程では、炭素フォームの空隙を塞ぐ被膜が形成されることを抑制する観点から、樹脂フォームに付着した余分な浸漬溶液を除去する工程を加えても良い。具体的には、遠心、圧縮、空気や不活性ガスのフロー、吸引等が挙げられ、中でも、炭素フォーム中の凝集物の抑制、製品への損傷の少なさの観点から、遠心が好ましい。 In the above dipping step, a step of removing excess dipping solution adhering to the resin foam may be added from the viewpoint of suppressing the formation of a film that blocks the voids in the carbon foam. Specific examples include centrifugation, compression, flow of air or inert gas, suction, etc. Among them, centrifugation is preferred from the viewpoint of suppressing aggregates in the carbon foam and causing less damage to the product.

上記浸漬工程において、浸漬後の樹脂フォームは、乾燥(例えば、温度50~200℃で0.5~5時間の乾燥)をしてもよい。蒸気乾燥は、減圧乾燥であってもよい。 In the above dipping step, the resin foam after dipping may be dried (eg, dried at a temperature of 50 to 200° C. for 0.5 to 5 hours). Steam drying may be vacuum drying.

上記浸漬工程は、炭素化工程の加熱段階(例えば、300~600℃程度に樹脂フォームを加熱した段階)で行ってもよい。 The above-mentioned dipping step may be performed during the heating step of the carbonization step (for example, the step in which the resin foam is heated to about 300 to 600° C.).

-炭素化工程-
上記炭素化工程としては、樹脂フォームに対して圧縮荷重を印加しつつ、窒素等の不活性気流中や真空等の不活性雰囲気下で熱処理して炭素化する方法;樹脂フォームを熱処理炉内に導入する原料フォーム導入工程と、熱処理炉内の温度を第1の昇温速度で熱処理温度まで昇温する昇温工程と、上記熱処理温度で所定の時間保持して樹脂フォームを炭素化して炭素フォームとする炭化工程と、熱処理炉内の温度を室温まで降温する降温工程と、熱処理炉から炭素フォームを搬出する炭素フォーム搬出工程とを含む方法;等が挙げられる。ここで、上記昇温工程は、少なくとも樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い第1の温度領域において、熱処理炉内を減圧排気しながら行う工程が挙げられる。
-Carbonization process-
The above carbonization process involves applying a compressive load to the resin foam and carbonizing it by heat treatment in an inert gas stream such as nitrogen or in an inert atmosphere such as vacuum; the resin foam is placed in a heat treatment furnace. A step of introducing the raw material foam to be introduced, a temperature raising step of raising the temperature in the heat treatment furnace to the heat treatment temperature at a first temperature increase rate, and a step of holding the temperature at the heat treatment temperature for a predetermined time to carbonize the resin foam to produce carbon foam. A method including a carbonization step in which the carbon foam is heated, a temperature lowering step in which the temperature inside the heat treatment furnace is lowered to room temperature, and a carbon foam transport step in which the carbon foam is transported out of the heat treatment furnace; Here, the above-mentioned temperature raising step may be carried out at least in the first temperature range where the amount of decomposable desorption gas generated from the resin foam is large, while the inside of the heat treatment furnace is being evacuated under reduced pressure.

上記原料フォーム導入工程において、原料の樹脂フォームを炭素化するための熱処理炉としては、樹脂フォームを炭素化して炭素フォームが得られる炉であれば限定されず、例えば原料の樹脂フォームを収容する反応炉と、反応炉内を加熱するヒーターと、反応炉内に不活性ガスを導入するガス導入口と、反応炉内からガスを排出するガス排出口と、反応炉内を減圧して真空にする真空ポンプとを備える熱処理炉を用いることができる。 In the raw material foam introduction step, the heat treatment furnace for carbonizing the raw material resin foam is not limited as long as it is a furnace that can carbonize the resin foam to obtain carbon foam, for example, a reaction furnace that accommodates the raw material resin foam. A furnace, a heater that heats the inside of the reactor, a gas inlet that introduces inert gas into the reactor, a gas outlet that exhausts gas from the reactor, and a vacuum that reduces the pressure inside the reactor. A heat treatment furnace equipped with a vacuum pump can be used.

上記昇温工程において、樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い第1の温度領域において、熱処理炉内を減圧排気しながら行うことが好ましい。
炭素フォームの原料である樹脂フォームを加熱すると、樹脂フォームから発生した活性な分解性脱離ガスが、炭素フォームを構成する炭素繊維と反応して分解し、炭素フォームに欠陥が発生することがある。上記分解性脱離ガスの発生量は、炉内の温度に依存する。昇温工程における、樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い温度領域(第1の温度領域)において、熱処理炉内を減圧排気することにより、樹脂フォームの内部で発生した分解性脱離ガスが樹脂フォーム外へ拡散するのを促進して、炭素フォームに欠陥が形成されるのを防止することができる。
In the temperature raising step, it is preferable to carry out the heat treatment in the first temperature range where a large amount of decomposable gas is generated from the resin foam while the inside of the heat treatment furnace is being evacuated under reduced pressure.
When resin foam, which is the raw material for carbon foam, is heated, the active decomposition gas generated from the resin foam reacts with the carbon fibers that make up the carbon foam and decomposes, which can cause defects in the carbon foam. . The amount of the decomposable desorption gas generated depends on the temperature inside the furnace. In the temperature range (first temperature range) where a large amount of decomposable gas is generated from the resin foam in the temperature raising process, decompressing gas generated inside the resin foam can be removed by evacuating the inside of the heat treatment furnace. It is possible to promote the diffusion of outgassing out of the resin foam and prevent the formation of defects in the carbon foam.

なお、「樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い温度領域(第1の温度領域)」は、昇温工程における原料の樹脂フォームの重量を0℃から100℃間隔で予めモニタリングし、樹脂フォームの重量が100℃当たり初期重量の5%以上減少する温度領域とする。例えば、300℃以上400℃未満、400℃以上500℃未満及び500℃以上600℃未満の全ての温度領域において、樹脂フォームの重量が100℃当たり初期重量の5%以上減少した場合には、第1の温度領域は300℃以上600℃未満とする。
樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、分解性脱離ガスの発生量が多い温度領域(第1の温度領域)は、200℃以上800℃未満の温度領域である。
The "temperature range (first temperature range) where a large amount of decomposable gas is generated from the resin foam" is determined by monitoring the weight of the raw material resin foam in the temperature raising process at intervals of 100 °C from 0 °C. , the temperature range in which the weight of the resin foam decreases by 5% or more of its initial weight per 100°C. For example, if the weight of the resin foam decreases by 5% or more of the initial weight per 100°C in all temperature ranges of 300°C or higher and lower than 400°C, 400°C or higher and lower than 500°C, and 500°C or higher and lower than 600°C, the The temperature range 1 is 300°C or more and less than 600°C.
When the resin foam is a melamine resin foam, the temperature range (first temperature range) in which a large amount of decomposable desorption gas is generated is a temperature range of 200°C or more and less than 800°C.

上記減圧排気は、真空ポンプ等の排気手段を用いて行うことができる。排気は、少なくとも炉内の圧力を10分以内に1Pa以下にできる排気能力を有するポンプを用いて行うことが好ましい。 The above-mentioned evacuation can be performed using an evacuation means such as a vacuum pump. Preferably, evacuation is performed using a pump having an evacuation ability that can reduce the pressure inside the furnace to 1 Pa or less within 10 minutes.

熱処理温度までの昇温速度(第1の昇温速度)は、例えば、原料の樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、分解性脱離ガスの発生量を抑制する観点から、10℃/分以下にすることが好ましい。また、全体の生産性の観点から、上記第1の昇温速度は1℃/分以上とすることが好ましい。 For example, when the raw material resin foam is melamine resin foam, the rate of temperature increase to the heat treatment temperature (first temperature increase rate) is set to 10°C/min or less in order to suppress the amount of decomposable desorption gas generated. It is preferable to do so. Further, from the viewpoint of overall productivity, it is preferable that the first temperature increase rate is 1° C./min or more.

また、昇温工程は、上記樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い温度領域(第1の温度領域)においては、熱処理温度までの昇温速度(第1の昇温速度)よりも低い昇温速度(第2の昇温速度)で行うことが好ましい。これにより、樹脂フォーム内で発生する単位時間当たりの分解性脱離ガスの発生量を低減して、フォーム構造外への分解性脱離ガスの拡散をより促進することができる。第1の温度領域において昇温速度を低減した場合(すなわち、第2の昇温速度に変更した場合)、炉内の温度が第1の温度領域の上限を超えた場合には、昇温速度を第1の昇温速度に戻して昇温すればよい。 In addition, in the temperature range (first temperature range) where a large amount of decomposable desorption gas is generated from the resin foam, the temperature rise step is faster than the temperature rise rate (first temperature rise rate) up to the heat treatment temperature. It is also preferable to perform the heating at a lower temperature increase rate (second temperature increase rate). Thereby, the amount of decomposable desorption gas generated within the resin foam per unit time can be reduced, and the diffusion of the decomposable desorption gas outside the foam structure can be further promoted. When the temperature increase rate is reduced in the first temperature range (that is, when the temperature increase rate is changed to the second temperature increase rate), if the temperature inside the furnace exceeds the upper limit of the first temperature range, the temperature increase rate The temperature may be increased by returning the temperature to the first temperature increase rate.

さらに、昇温工程は、上記脱離ガスの発生量が多い第1の温度領域内の、分解性脱離ガスの発生量の増加率が高い領域(第2の温度領域)において、上記第2の昇温速度よりも低い昇温速度(第3の昇温速度)で行うことが好ましい。これにより、樹脂フォーム内で発生する単位時間当たりの分解性脱離ガスの発生量をさらに低減して、フォーム構造外への分解性脱離ガスの拡散をさらに促進することができる。 Furthermore, the temperature raising step is performed in the second temperature region in a region (second temperature region) in which the rate of increase in the amount of decomposable desorption gas is high within the first temperature region in which the amount of desorption gas generated is large. It is preferable to carry out the heating at a lower heating rate (third heating rate) than the heating rate. Thereby, the amount of decomposable desorption gas generated within the resin foam per unit time can be further reduced, and the diffusion of the decomposable desorption gas outside the foam structure can be further promoted.

なお、「樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量の増加率が高い温度領域(第2の温度領域)」は、昇温工程における原料の樹脂フォームの重量を0℃から100℃間隔で予めモニタリングし、樹脂フォームの重量が100℃当たり初期重量の20%以上減少する温度領域とする。例えば、300℃以上400℃未満及び400℃以上500℃未満の温度領域において、樹脂フォームの重量が100℃当たり初期重量の20%以上減少した場合には、第2の温度領域は300℃以上500℃未満とする。
原料の樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、樹脂フォームからの脱離ガスの発生量の増加率が高い温度領域(第2の温度領域)は、300℃以上400℃未満の温度領域である。樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、昇温速度は、第1の温度領域において5℃/分以下にすることがより好ましく、さらに第2の温度領域において3℃/分以下にすることが特に好ましい。
The "temperature range (second temperature range) in which the rate of increase in the amount of decomposable desorption gas generated from the resin foam is high" is defined as the weight of the resin foam as a raw material in the heating process at intervals of 100°C from 0°C. Monitor in advance and set the temperature range in which the weight of the resin foam decreases by 20% or more of the initial weight per 100°C. For example, if the weight of the resin foam decreases by 20% or more of the initial weight per 100°C in the temperature range of 300°C or higher and lower than 400°C and 400°C or higher and lower than 500°C, the second temperature range is 300°C or higher and lower than 500°C. Less than ℃.
When the raw material resin foam is a melamine resin foam, the temperature range (second temperature range) in which the rate of increase in the amount of desorbed gas generated from the resin foam is high is a temperature range of 300°C or more and less than 400°C. When the resin foam is a melamine resin foam, the heating rate is more preferably 5°C/min or less in the first temperature range, and particularly preferably 3°C/min or less in the second temperature range. .

また、昇温工程及び後述する炭化工程において、酸素と炭素フォームを構成する炭素繊維との分解反応を防止するために、炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気又は真空とすることが好ましい。ここで、炉内が「真空」であるとは、炉内の真空度が1Pa未満であることを指す。また、不活性ガス雰囲気は、炭素フォームの原料となる樹脂フォームを熱処理炉内に導入した後(原料フォーム導入工程)、炉内を減圧排気して酸素が含まれる空気を抜くことが好ましい。そして、炉内が1Pa未満の真空度に達して十分に空気が脱気された後、窒素ガスを導入することが好ましい。こうして炉内を窒素ガス雰囲気にすることができる。このように、炉内を不活性ガス雰囲気又は真空とした後、昇温を開始し、第1の温度領域においては炉内を減圧排気する。 Further, in the temperature raising step and the carbonization step described below, in order to prevent a decomposition reaction between oxygen and the carbon fibers constituting the carbon foam, the atmosphere in the furnace is preferably an inert gas atmosphere or a vacuum. Here, the term "vacuum" in the furnace means that the degree of vacuum in the furnace is less than 1 Pa. In addition, the inert gas atmosphere is preferably such that after the resin foam that is the raw material for the carbon foam is introduced into the heat treatment furnace (raw material foam introduction step), the inside of the furnace is depressurized and evacuated to remove air containing oxygen. After the inside of the furnace reaches a degree of vacuum of less than 1 Pa and air is sufficiently degassed, it is preferable to introduce nitrogen gas. In this way, the inside of the furnace can be made into a nitrogen gas atmosphere. After the inside of the furnace is made into an inert gas atmosphere or a vacuum in this way, temperature increase is started, and the inside of the furnace is depressurized and evacuated in the first temperature range.

さらに、メラミン樹脂フォームの脱離ガス量が多い200℃以上800℃未満の領域(第1の温度領域)においては、炉内に不活性ガスを導入しながら減圧排気し続けることが好ましい。これにより、炉内に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスの流れを発生させて、樹脂フォーム内で発生した分解性脱離ガスの排出を促進することができる。 Furthermore, in the region of 200° C. or higher and lower than 800° C. (first temperature region) where the amount of desorbed gas from the melamine resin foam is large, it is preferable to continue evacuation under reduced pressure while introducing an inert gas into the furnace. Thereby, a flow of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas can be generated in the furnace, and the discharge of the decomposable desorption gas generated in the resin foam can be promoted.

上記不活性ガスの導入の際、不活性ガスの流量は1L/分以上とすることが好ましく、2L/分以上とすることがより好ましい。また、不活性ガスの流量は40L/分以下とすることが好ましく、30L/分以下とすることがより好ましく、20L/分以下とすることが特に好ましい。 When introducing the inert gas, the flow rate of the inert gas is preferably 1 L/min or more, more preferably 2 L/min or more. Further, the flow rate of the inert gas is preferably 40 L/min or less, more preferably 30 L/min or less, and particularly preferably 20 L/min or less.

上記炭化工程において、昇温して到達した熱処理温度で所定の時間保持し、樹脂フォームを炭素化して炭素フォームとする。上記熱処理温度は、原料の樹脂フォームの軟化点以上の温度であることが好ましい。例えば、樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、メラミン樹脂フォームの軟化点は300℃~400℃であるため、熱処理温度は軟化点以上の温度とする。好ましくは800℃以上、より好ましくは1000℃以上である。また、高い結晶性による物理的な脆弱性の観点から、好ましくは3000℃以下、より好ましくは2500℃以下である。 In the carbonization step, the resin foam is carbonized into a carbon foam by holding the resin foam at the heated heat treatment temperature for a predetermined period of time. The heat treatment temperature is preferably a temperature equal to or higher than the softening point of the raw material resin foam. For example, when the resin foam is a melamine resin foam, the softening point of the melamine resin foam is 300° C. to 400° C., so the heat treatment temperature is set to a temperature equal to or higher than the softening point. The temperature is preferably 800°C or higher, more preferably 1000°C or higher. Further, from the viewpoint of physical fragility due to high crystallinity, the temperature is preferably 3000°C or lower, more preferably 2500°C or lower.

また上記熱処理温度で保持する時間(熱処理時間)は、原料の樹脂フォームが完全に炭素化する時間とすることが好ましい。例えば、原料の樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、保持時間は、好ましくは0.5時間以上、より好ましくは1時間以上、さらに好ましくは2時間以上である。また、生産性の点から、好ましくは5時間以下、より好ましくは4時間以下である。 Further, the time for holding at the above heat treatment temperature (heat treatment time) is preferably a time for completely carbonizing the raw material resin foam. For example, when the raw material resin foam is a melamine resin foam, the holding time is preferably 0.5 hours or more, more preferably 1 hour or more, and still more preferably 2 hours or more. Further, from the viewpoint of productivity, the time is preferably 5 hours or less, more preferably 4 hours or less.

上記降温工程において、メラミン樹脂フォームの炭素化の際の温度の降温速度については、急冷による炉内のヒーターや断熱材へのダメージを緩和する観点から、20℃/分以下にすることが好ましい。より好ましくは、15℃/分以下である。また、全体の生産性の点から5℃/分以上が好ましい。より好ましくは、10℃/分以上である。 In the temperature lowering step, the temperature lowering rate during carbonization of the melamine resin foam is preferably 20° C./min or less from the viewpoint of mitigating damage to the heater and heat insulating material in the furnace due to rapid cooling. More preferably, it is 15°C/min or less. Further, from the viewpoint of overall productivity, the rate is preferably 5° C./min or more. More preferably, it is 10°C/min or more.

なお、上記昇温工程及び上記炭化工程を、原料の樹脂フォームに圧縮荷重を印加しながら行うことにより、炭素繊維の拡がりに異方性を有する骨格構造の炭素フォームを得ることができる。異方性を有する炭素フォームは、圧縮荷重が印加された際にも、炭素繊維の破断を抑制して粉落ちを低減したり、高い復元性を実現したりすることができる。 Note that by performing the temperature raising step and the carbonization step while applying a compressive load to the resin foam as a raw material, it is possible to obtain a carbon foam having a skeleton structure in which the spread of carbon fibers is anisotropic. Carbon foam having anisotropy can suppress breakage of carbon fibers, reduce powder falling, and realize high resilience even when a compressive load is applied.

上記圧縮荷重の印加は、原料の樹脂フォーム上に、例えば黒鉛板等のおもりを載せることによって行うことができる。印加する圧縮荷重は、好ましくは50Pa以上であり、より好ましくは200Pa以上である。また、好ましくは2000Pa以下であり、より好ましくは1500Pa以下である。 The compressive load can be applied by placing a weight such as a graphite plate on the raw material resin foam. The compressive load to be applied is preferably 50 Pa or more, more preferably 200 Pa or more. Moreover, it is preferably 2000 Pa or less, more preferably 1500 Pa or less.

原料の樹脂フォームに圧縮荷重を印加する場合、分解性脱離ガスの拡散が、黒鉛板等のおもりによって抑制される。そのため、昇温工程では、圧縮荷重を印加しない場合に比べて、昇温速度を低減し、かつ不活性ガスを炉内に供給しながら減圧排気し続けて、分解性ガスの排出促進を行うことが特に好ましい。 When applying a compressive load to the raw material resin foam, the diffusion of decomposable desorption gas is suppressed by a weight such as a graphite plate. Therefore, in the heating process, compared to the case where no compressive load is applied, the heating rate is reduced, and inert gas is supplied into the furnace while depressurizing exhaust is continued to promote the discharge of decomposable gases. is particularly preferred.

例えば、原料の樹脂フォームがメラミン樹脂フォームの場合、200℃以上800℃未満の温度領域(第1の温度領域)においては、昇温速度は5℃/分以下にすることが好ましく、脱離ガスの発生量の増加率が高い300℃以上400℃未満の温度領域(第2の温度領域)においては、2℃/分以下にすることがより好ましい。また、200℃以上800℃未満の温度領域(第1の温度領域)において、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを熱処理炉内に供給することが好ましい。 For example, when the raw material resin foam is melamine resin foam, in the temperature range of 200°C or more and less than 800°C (first temperature range), the temperature increase rate is preferably 5°C/min or less, and the desorption gas In the temperature range from 300°C to less than 400°C (second temperature range) where the rate of increase in the amount of generation is high, it is more preferable to set the temperature to 2°C/min or less. Further, in a temperature range of 200° C. or higher and lower than 800° C. (first temperature range), it is preferable to supply an inert gas such as nitrogen gas or argon gas into the heat treatment furnace.

なお、原料の樹脂フォームへの圧縮応力は、一方向のみならず、二方向から印加してもよい。 Note that the compressive stress to the raw material resin foam may be applied not only from one direction but from two directions.

-酸化工程-
上記酸化工程は、炭素化工程後に設けられることが好ましい。
上記酸化工程としては、酸素存在下(例えば、空気気流下)で加熱する方法や、化学的に酸化する方法等が挙げられる。
上記酸化工程の温度としては300~600℃が挙げられ、酸化する時間としては0.5~5時間が挙げられる。
-Oxidation process-
It is preferable that the oxidation step is provided after the carbonization step.
Examples of the oxidation step include a method of heating in the presence of oxygen (for example, under a stream of air), a method of chemical oxidation, and the like.
The temperature in the oxidation step is 300 to 600°C, and the oxidation time is 0.5 to 5 hours.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

[評価]
実施例及び比較例で得られた炭素フォームについて、下記の測定を行った。
[evaluation]
The following measurements were performed on the carbon foams obtained in Examples and Comparative Examples.

<空隙率>
まず、ノギス等を用いて炭素フォームの寸法を測定し、得られた寸法から、炭素フォームのかさ体積Vbulkを求めた。次に、精密天秤を用いて、炭素フォームの質量Mを測定した。得られた質量Mおよびかさ体積Vbulkから、下記の式(1)を用いて炭素フォームのかさ密度ρbulkを求めた。
ρbulk=M/Vbulk・・・(1)
炭素フォームの真密度ρrealは、n-ヘプタン、四塩化炭素および二臭化エチレンからなる混合液を用いて浮沈法によって求めた。具体的には、まず、共栓試験管に適当なサイズの炭素フォームを入れ、次に、3種の溶媒を適宜混合して試験管に加え、30℃の恒温槽に漬けた。試料片が浮く場合は、低密度であるn-ヘプタンを加えた。一方、試験片が沈む場合は、高密度である二臭化エチレンを加えた。この操作を繰り返して、試験片が液中に漂うようにした。最後に、液の密度をゲーリュサック比重瓶を用いて測定した。
上述のように求めたかさ密度ρbulkおよび真密度ρrealから、下記の式(2)を用いて、空隙率Vf,poreを求めた。
f,pore=((1/ρbulk)-(1/ρreal))/(1/ρbulk)×100(%)・・・(2)
<Porosity>
First, the dimensions of the carbon foam were measured using a caliper or the like, and the bulk volume V bulk of the carbon foam was determined from the obtained dimensions. Next, the mass M of the carbon foam was measured using a precision balance. From the obtained mass M and bulk volume V bulk , the bulk density ρ bulk of the carbon foam was determined using the following equation (1).
ρ bulk = M/V bulk ...(1)
The true density ρ real of the carbon foam was determined by the float-sink method using a liquid mixture consisting of n-heptane, carbon tetrachloride, and ethylene dibromide. Specifically, first, a carbon foam of an appropriate size was placed in a stoppered test tube, and then three types of solvents were appropriately mixed, added to the test tube, and immersed in a constant temperature bath at 30°C. If the sample pieces floated, low density n-heptane was added. On the other hand, if the test piece sank, high-density ethylene dibromide was added. This operation was repeated to allow the test piece to float in the liquid. Finally, the density of the liquid was measured using a Gerussac pycnometer.
From the bulk density ρ bulk and true density ρ real determined as described above, the porosity V f,pore was determined using the following equation (2).
V f,pore = ((1/ρ bulk )-(1/ρ real ))/(1/ρ bulk )×100(%)...(2)

<平均繊維径>
SEMを用いて、10000倍に拡大して炭素フォームを観察した。炭素の線状部について、任意の20か所の線状部の直径を測定し、その平均値を平均繊維径(μm)とした。
<Average fiber diameter>
The carbon foam was observed using SEM under 10000x magnification. The diameters of the carbon linear portions were measured at arbitrary 20 locations, and the average value was taken as the average fiber diameter (μm).

<平均繊維長>
SEMを用いて、10000倍に拡大して炭素フォームを観察した。炭素の線状部の繊維長について、任意の隣接する結合部の間の繊維長20か所を測定し、その平均値を平均繊維長(μm)とした。
<Average fiber length>
The carbon foam was observed using SEM under 10000x magnification. Regarding the fiber length of the carbon linear portion, 20 fiber lengths between arbitrary adjacent joints were measured, and the average value was taken as the average fiber length (μm).

<平面視での凝集物割合>
SEMを用いて、200倍に拡大し、炭素フォームシート表面を観察した。0.5mm×0.5mmの領域内で、炭素フォームの空隙を塞ぐ膜状の部分の面積を、以下の観点で評価した。
◎(優れる): 10%以下
○(良好): 30%以下
△(普通): 50%以下
×(不良): 50%超過
<Agglomerate ratio in plan view>
Using SEM, the surface of the carbon foam sheet was observed under 200 times magnification. The area of the membrane-like portion that closes the voids of the carbon foam within a 0.5 mm x 0.5 mm area was evaluated from the following viewpoints.
◎ (excellent): 10% or less ○ (good): 30% or less △ (fair): 50% or less × (poor): over 50%

<凝集物の直径>
得られた炭素フォームシートの任意の箇所をカミソリで切断し、断面をSEMを用いて、500倍程度に拡大し、炭素フォームシート断面を観察した。炭素フォーム内にある任意の凝集物20個の直径を測定し、その平均値を以下の観点で評価した。
◎(優れる): 50μm以下
○(良好): 100μm以下
△(普通): 400μm以下
×(不良): 400μm超過
<Diameter of aggregate>
The obtained carbon foam sheet was cut at an arbitrary point with a razor, and the cross section was magnified approximately 500 times using an SEM, and the cross section of the carbon foam sheet was observed. The diameters of 20 arbitrary aggregates within the carbon foam were measured, and the average value was evaluated from the following points of view.
◎ (Excellent): 50 μm or less ○ (Good): 100 μm or less △ (Normal): 400 μm or less × (Poor): Over 400 μm

<炭素含有率>
炭素フォームの炭素含有率(質量%)は、蛍光X線測定から求めた。蛍光X線測定は、株式会社リガク製の蛍光X線分析装置ZSX-100E(波長分散型、Rh管球)を用いた。サンプルは20mmφ以上のサイズを用いた。
<Carbon content>
The carbon content (mass %) of the carbon foam was determined from fluorescent X-ray measurements. For the fluorescent X-ray measurement, a fluorescent X-ray analyzer ZSX-100E (wavelength dispersion type, Rh tube) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used. A sample having a size of 20 mmφ or more was used.

<酸素原子の割合>
炭素フォームの酸素含有率(質量%)は、蛍光X線測定から求めた。蛍光X線測定は、株式会社リガク製の蛍光X線分析装置ZSX-100E(波長分散型、Rh管球)を用いた。サンプルは20mmφ以上のサイズを用いた。
<Ratio of oxygen atoms>
The oxygen content (% by mass) of the carbon foam was determined from X-ray fluorescence measurements. For the fluorescent X-ray measurement, a fluorescent X-ray analyzer ZSX-100E (wavelength dispersion type, Rh tube) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used. A sample having a size of 20 mmφ or more was used.

<X線CTによる構造解析>
実施例で作製した炭素フォームについて、X線画像を撮像しやすくするため、無電解銅めっきを行った後、試験片を採取し、高分解能3DX線顕微鏡nano3DX(株式会社リガク製)を用いて構造解析を行った。具体的な無電解めっき条件、X線CT解析条件は以下の通りである。
図3に比較例1の炭素フォームより得られるX線CT解析画像を、図4に図3の画像のライン、ノード検出を行った画像処理後の図を結果の一例として示す。
<Structural analysis by X-ray CT>
In order to make it easier to take X-ray images of the carbon foam produced in the examples, a test piece was taken after electroless copper plating and the structure was examined using a high-resolution 3D X-ray microscope nano3DX (manufactured by Rigaku Co., Ltd.). An analysis was performed. Specific electroless plating conditions and X-ray CT analysis conditions are as follows.
FIG. 3 shows an X-ray CT analysis image obtained from the carbon foam of Comparative Example 1, and FIG. 4 shows an example of the result after image processing in which lines and nodes were detected in the image of FIG.

[無電解めっき条件]
サンプルをOPCコンディクリーンMA(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)に70℃で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPCプリディップ49L(奥野製薬工業社製、10mL/Lに蒸留水で希釈、98%硫酸を1.5mL/L添加)に70℃で2分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPCインデューサー50AM(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)及び、OPCインデューサー50CM(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)を1:1で混合した溶液中に45℃で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPC-150クリスタMU(奥野製薬工業社製、150mL/Lに蒸留水で希釈)に室温で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPC-BSM(奥野製薬工業社製、125mL/Lに蒸留水で希釈)に室温で5分間浸漬した。続いて化学銅500A(奥野製薬工業社製、250mL/Lに蒸留水で希釈)及び、化学銅500B(奥野製薬工業社製、250mL/Lに蒸留水で希釈)を1:1で混合した溶液中に室温で10分間浸漬した後、蒸留水で5分間洗浄した。その後90℃で12時間真空乾燥を行い、水分を乾燥させた。
[Electroless plating conditions]
The sample was immersed in OPC CondiClean MA (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted to 100 mL/L with distilled water) at 70°C for 5 minutes, and then washed with distilled water for 1 minute. Subsequently, it was immersed in OPC Predip 49L (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted with distilled water to 10 mL/L, added 98% sulfuric acid at 1.5 mL/L) for 2 minutes at 70°C, and then washed with distilled water for 1 minute. . Next, OPC Inducer 50AM (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted to 100 mL/L with distilled water) and OPC Inducer 50CM (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted with distilled water to 100 mL/L) were mixed in a 1:1 ratio. After being immersed in the solution at 45° C. for 5 minutes, it was washed with distilled water for 1 minute. Subsequently, it was immersed in OPC-150 Crysta MU (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted with distilled water to 150 mL/L) for 5 minutes at room temperature, and then washed with distilled water for 1 minute. Subsequently, it was immersed in OPC-BSM (manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., diluted with distilled water to 125 mL/L) at room temperature for 5 minutes. Next, a solution containing chemical copper 500A (manufactured by Okuno Pharmaceutical Industries, diluted to 250 mL/L with distilled water) and chemical copper 500B (manufactured by Okuno Pharmaceutical Industries, diluted with distilled water to 250 mL/L) at a ratio of 1:1. After soaking in water for 10 minutes at room temperature, the sample was washed with distilled water for 5 minutes. Thereafter, vacuum drying was performed at 90° C. for 12 hours to remove moisture.

[X線条件]
X線ターゲット:Cu
X線管電圧:40kV
X線管電流:30mA
[撮影条件]
投影数:1500枚
回転角度:180°
露光時間:20秒/枚
空間解像度:0.54μm/ピクセル
[X-ray conditions]
X-ray target: Cu
X-ray tube voltage: 40kV
X-ray tube current: 30mA
[Shooting conditions]
Number of projections: 1500 images Rotation angle: 180°
Exposure time: 20 seconds/sheet Spatial resolution: 0.54μm/pixel

[X線CT解析条件]
得られた3次元画像を、Median filterで隣接する1pixelにて処理し、大津のアルゴリズムを用いて二値化した。
続いて、JSOL社製のソフトウェアsimplewareのCenterline editor(Ver.7)をデフォルトの設定値で使用して、2.16μm以下の線をノイズとして除去した後、測定視野300μm×300μm×300μm内の結合部の数Nn、線状部の数Nlを検出した。
[X-ray CT analysis conditions]
The obtained three-dimensional image was processed using a median filter for 1 adjacent pixel, and was binarized using Otsu's algorithm.
Next, using Centerline editor (Ver. 7) of JSOL's simpleware software with default settings, lines of 2.16 μm or less were removed as noise, and then the coupling within the measurement field of 300 μm x 300 μm x 300 μm was performed. The number N n of parts and the number N l of linear parts were detected.

上記構造解析により、試験片に含まれる結合部の数Nn、線状部の数Nl、結合部の密度(個/mm3)、互いに直交する3方向(x、y、z)に対する配向角度の平均値を求めた。なお、表1における配向角度は、圧縮荷重の印加方向をx方向とし、圧縮荷重の印加方向に垂直な方向にy方向及びz方向を設定してθcの最小値を求めた値である。 The above structural analysis revealed the number of joints included in the test piece N n , the number of linear parts N l , the density of joints (pieces/mm 3 ), and the orientation in three mutually orthogonal directions (x, y, z). The average value of the angle was determined. Note that the orientation angles in Table 1 are values obtained by determining the minimum value of θc with the compressive load application direction set as the x direction, and the y direction and the z direction set in the direction perpendicular to the compressive load application direction.

<レドックスフロー電池評価>
レドックスフロー電池評価には、バイトンゴム製ガスケット、テフロン(登録商標)製流路枠、黒鉛製セパレータ、ステンレス製エンドプレートから構成されるセルを用いた。黒鉛製セパレータの電極と対向する33×30mmの部分には、短辺と平行に櫛歯型の流路を設けた。流路のリブ幅、溝幅、および溝深さは、それぞれ1mm、1mm、および1.5mmとした。電解質膜にはAldrichから購入したNafion212を用いた。ガスケットは電極の圧縮率が80%になるように膜厚を調節した。
50×80mmに切り出した膜、33×30mmに切り出した2枚の炭素フォーム、並びにセル構成部材を所定の順番に従って組み合わせ、ステンレス製ボルトを用いて所定のトルクにて締結した。組み立てたセルを、電解液タンクと送液ポンプから構成される電解液循装置に接続した。電解液タンクにバナジウムイオン濃度1.5M、バナジウムイオン価数3.5価、硫酸イオン濃度4.5Mのバナジウム硫酸溶液を30ml加え、流速100ml/minにて循環した。充放電試験はBioLogic社製ポテンショスタットVSPを用いて、定電流法にて行った。電圧範囲は1.00-1.55V、電流密度は80mA/cm2とした。充電および放電時における平均電圧VcおよびVdから、次式によってセル抵抗を求めた。
セル抵抗(Ωcm2)=(Vc-Vd)/(2×0.08)
また、電流密度80mA/cm2での充電量に対する放電量から、電流効率を求めた。
<Redox flow battery evaluation>
For redox flow battery evaluation, a cell consisting of a Viton rubber gasket, a Teflon (registered trademark) channel frame, a graphite separator, and a stainless steel end plate was used. A comb-shaped flow path was provided in a 33×30 mm portion of the graphite separator facing the electrode in parallel to the short side. The rib width, groove width, and groove depth of the channel were 1 mm, 1 mm, and 1.5 mm, respectively. Nafion 212 purchased from Aldrich was used as the electrolyte membrane. The thickness of the gasket was adjusted so that the compression ratio of the electrode was 80%.
The membrane cut into a size of 50 x 80 mm, the two sheets of carbon foam cut out into a size of 33 x 30 mm, and the cell constituent members were assembled in a predetermined order and fastened with stainless steel bolts at a predetermined torque. The assembled cell was connected to an electrolyte circulation system consisting of an electrolyte tank and a liquid pump. 30 ml of a vanadium sulfuric acid solution having a vanadium ion concentration of 1.5 M, a vanadium ion valence of 3.5, and a sulfate ion concentration of 4.5 M was added to the electrolyte tank, and the solution was circulated at a flow rate of 100 ml/min. The charge/discharge test was carried out by a constant current method using a potentiostat VSP manufactured by BioLogic. The voltage range was 1.00-1.55V, and the current density was 80mA/cm 2 . Cell resistance was determined from the average voltages Vc and Vd during charging and discharging using the following formula.
Cell resistance (Ωcm 2 )=(Vc-Vd)/(2×0.08)
Further, current efficiency was determined from the amount of discharge relative to the amount of charge at a current density of 80 mA/cm 2 .

<テーバー曲げ剛さ試験>
炭素フォームの機械的強度はテーバー曲げ剛さによって評価した。試験方法はJIS P 8125に準拠して行った。寸法70mm×38.1mmに切り出した炭素フォームを、熊谷理機工業製テーバースティフネステスターに、荷重長が50mmとなるように固定した。試験片を左右にそれぞれ15°曲げたときの曲げモーメントを測定し、それらの平均値をテーバー曲げ剛さ(gf・cm)とした。
<Taber bending stiffness test>
The mechanical strength of carbon foam was evaluated by Taber bending stiffness. The test method was conducted in accordance with JIS P 8125. A carbon foam cut into a size of 70 mm x 38.1 mm was fixed to a Taber stiffness tester manufactured by Kumagai Riki Kogyo so that the load length was 50 mm. The bending moment when the test piece was bent left and right by 15 degrees was measured, and the average value thereof was taken as the Taber bending stiffness (gf·cm).

<圧損>
セルに電解液を流通させたときの供給口と排出口における圧損を、マノメータを用いて測定した。供給口と排出口のそれぞれに設けた分岐口に、直管部分が鉛直方向になるようにU字型ガラス管を接続し、マノメータとした。電解液を流通させたときに生じる電解液柱の高さの差と電解液の密度から圧損を求めた。尚、電解液流通速度は100ml/minとした。
<Pressure loss>
The pressure drop at the supply port and discharge port when the electrolyte was flowing through the cell was measured using a manometer. A U-shaped glass tube was connected to a branch port provided at each of the supply port and the discharge port so that the straight pipe portion was oriented vertically to form a manometer. The pressure drop was determined from the difference in height of the electrolyte column that occurs when the electrolyte is flowing and the density of the electrolyte. Note that the electrolytic solution flow rate was 100 ml/min.

(実施例1)
寸法300×300×20mmに切り出したメラミンフォーム(BASF Co.Ltd、 BASOTECT G)を北川精機社製真空プレス機(KVHC-II)で金属のスペーサーを挟んで厚み0.6mmまでプレスした。このプレスは真空減圧しながら昇温速度:5℃/分で360℃まで昇温した後、設定圧力:2.0MPaで押圧し、10分間保持してから冷却を行った。
サンプルを取り出した後、濃度10wt%のメチロールメラミン(日本カーバイド製,ニカレジン)の水溶液に浸漬した後、内部に含まれる過剰な溶液を遠心脱水によって除去した。続いて、樹脂で修飾されたメラミンフォームを、100℃にて3時間減圧乾燥することによって、被覆されたメラミンフォームを得た。
被覆されたメラミンフォームに寸法300×300×4mmの黒鉛板1枚を載せ、熱処理炉内に投入し、真空ポンプにより炉内を減圧排気して炉内の真空度を1Pa未満とし、減圧排気しつつ炉内に窒素ガスを流量:2L/分で供給しながら、炉内の温度を昇温速度:5℃/分で800℃まで昇温した。炉内の温度が800℃に到達した時点で窒素ガスの供給を停止し、昇温速度:5℃/分で1500℃の熱処理温度まで昇温し、1時間保持して被覆されたメラミンフォームを炭素化した。
続いて、炭素化したサンプルを1L/min乾燥空気気流下で、500℃にて1時間熱処理することにより、表面を酸化させた炭素フォームを得た。得られた炭素フォームの詳細を表1に示す。
図5は、実施例1による炭素フォームの表面のSEM画像を示しており、図6は、図5を拡大したSEM画像を示している。
(Example 1)
Melamine foam (BASF Co. Ltd, BASOTECT G) cut into a size of 300 x 300 x 20 mm was pressed to a thickness of 0.6 mm with a metal spacer sandwiched between them using a vacuum press machine (KVHC-II) manufactured by Kitagawa Seiki Co., Ltd. In this press, the temperature was raised to 360° C. at a temperature increase rate of 5° C./min while reducing the pressure in a vacuum, and then pressed at a set pressure of 2.0 MPa, held for 10 minutes, and then cooled.
After taking out the sample, it was immersed in an aqueous solution of methylolmelamine (Nippon Carbide Co., Ltd., Nikaresin) with a concentration of 10 wt %, and then the excess solution contained inside was removed by centrifugal dehydration. Subsequently, the resin-modified melamine foam was dried under reduced pressure at 100° C. for 3 hours to obtain a coated melamine foam.
One graphite plate with dimensions of 300 x 300 x 4 mm was placed on the coated melamine foam, placed in a heat treatment furnace, and the inside of the furnace was depressurized and evacuated using a vacuum pump to reduce the degree of vacuum in the furnace to less than 1 Pa. While supplying nitrogen gas into the furnace at a flow rate of 2 L/min, the temperature inside the furnace was raised to 800°C at a heating rate of 5°C/min. When the temperature inside the furnace reached 800°C, the supply of nitrogen gas was stopped, and the temperature was raised to a heat treatment temperature of 1500°C at a heating rate of 5°C/min, and the coated melamine foam was heated for 1 hour. Carbonized.
Subsequently, the carbonized sample was heat-treated at 500° C. for 1 hour under a flow of dry air at 1 L/min to obtain a carbon foam with an oxidized surface. Details of the obtained carbon foam are shown in Table 1.
FIG. 5 shows a SEM image of the surface of the carbon foam according to Example 1, and FIG. 6 shows an enlarged SEM image of FIG.

(実施例2)
被覆されたメラミンフォームを炭素化する際に、炭素化温度を1100℃とし、表面酸化処理温度を300℃とした。それ以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
得られた炭素フォームの詳細を表1に示す。
(Example 2)
When carbonizing the coated melamine foam, the carbonization temperature was 1100°C and the surface oxidation treatment temperature was 300°C. Other than that, it was carried out under the same conditions as in Example 1.
Details of the obtained carbon foam are shown in Table 1.

(実施例3)
使用するメラミンフォームの厚さを40mmとし、真空プレス機でプレスする際の厚みを1.0mmとした。さらに被覆されたメラミンフォームを炭素化する際の炭素化温度を2000℃とし、表面酸化処理温度を500℃とした。それ以外は、実施例1と同じ条件で実施した。得られた炭素フォームの詳細を表1に示す。
(Example 3)
The thickness of the melamine foam used was 40 mm, and the thickness when pressed with a vacuum press was 1.0 mm. Furthermore, the carbonization temperature when carbonizing the coated melamine foam was set at 2000°C, and the surface oxidation treatment temperature was set at 500°C. Other than that, it was carried out under the same conditions as in Example 1. Details of the obtained carbon foam are shown in Table 1.

(実施例4)
メラミンフォームを含浸させる溶液を調製する際、樹脂にポリ塩化ビニルラテックス(旭化成株式会社製、固形分率45質量%)を使用した以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Example 4)
A solution for impregnating melamine foam was prepared under the same conditions as in Example 1, except that polyvinyl chloride latex (manufactured by Asahi Kasei Corporation, solid content: 45% by mass) was used as the resin.

(実施例5)
メラミンフォームを含浸させる溶液を調製する際、樹脂溶液濃度を15wt%とした以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Example 5)
When preparing a solution for impregnating melamine foam, the same conditions as in Example 1 were used except that the resin solution concentration was 15 wt%.

(実施例6)
メラミンフォームをプレスする際、プレス後の厚さを1mmとした以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Example 6)
When pressing the melamine foam, it was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the thickness after pressing was 1 mm.

(実施例7)
実施例1にしたがってプレスしたメラミンフォームを,1500℃にて炭素化して炭素フォームを作製した.
この炭素フォームに,固形分が10wt%となるように調製したサランラテックス(旭化成製、原液固形分率45質量%)を含浸した.内部に含まれる過剰な溶液を遠心脱水によって除去した。続いて、100℃にて3時間減圧乾燥することによって、サラン樹脂で被覆された炭素フォームを得た。
被覆された炭素フォームを,実施例1と同様に再度炭素化した後,空気酸化を施した.
(Example 7)
Melamine foam pressed according to Example 1 was carbonized at 1500°C to produce carbon foam.
This carbon foam was impregnated with Saran latex (manufactured by Asahi Kasei, stock solution solids content: 45% by mass) prepared to have a solid content of 10% by mass. Excess solution contained inside was removed by centrifugal dehydration. Subsequently, carbon foam coated with Saran resin was obtained by drying under reduced pressure at 100° C. for 3 hours.
The coated carbon foam was carbonized again in the same manner as in Example 1, and then air oxidized.

(実施例8)
メラミンフォームを含浸させる溶液を調製する際、樹脂溶液濃度を25wt%とした以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Example 8)
When preparing a solution for impregnating melamine foam, the same conditions as in Example 1 were used except that the resin solution concentration was 25 wt%.

(比較例1)
寸法300×300×2mmに切り出したメラミンフォームを、熱処理炉内に投入し、真空ポンプにより炉内を減圧排気して炉内の真空度を1Pa未満とし、減圧排気しつつ炉内に窒素ガスを流量:2L/分で供給しながら、炉内の温度を昇温速度:5℃/分で800℃まで昇温した。炉内の温度が800℃に到達した時点で窒素ガスの供給を停止し、昇温速度:5℃/分で1500℃の熱処理温度まで昇温し、1時間保持することで炭素化した。
図2は、比較例1による炭素フォーム表面のSEM画像を示している。
(Comparative example 1)
A melamine foam cut into a size of 300 x 300 x 2 mm was placed in a heat treatment furnace, and the inside of the furnace was depressurized and evacuated using a vacuum pump to reduce the degree of vacuum in the furnace to less than 1 Pa. Nitrogen gas was introduced into the furnace while depressurizing and evacuating. While supplying at a flow rate of 2 L/min, the temperature inside the furnace was raised to 800° C. at a heating rate of 5° C./min. When the temperature in the furnace reached 800°C, the supply of nitrogen gas was stopped, and the temperature was raised to a heat treatment temperature of 1500°C at a heating rate of 5°C/min, and carbonized by holding for 1 hour.
FIG. 2 shows a SEM image of the carbon foam surface according to Comparative Example 1.

(比較例2)
メラミンフォームを含浸させる溶液を調製する際、樹脂溶液濃度を75wt%とした以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Comparative example 2)
When preparing a solution for impregnating melamine foam, the same conditions as in Example 1 were used except that the resin solution concentration was 75 wt%.

(比較例3)
メラミンフォームを含浸させる溶液を調製する際、樹脂溶液濃度を2wt%とした以外は、実施例1と同じ条件で実施した。
(Comparative example 3)
When preparing a solution for impregnating melamine foam, the same conditions as in Example 1 were used except that the resin solution concentration was 2 wt%.

(比較例4)
炭素繊維ペーパ(SGL CARBON製SIGRACET GFL39AA)を電極として、レドックスフロー電池評価を行った。
(Comparative example 4)
Redox flow battery evaluation was performed using carbon fiber paper (SIGRACET GFL39AA manufactured by SGL CARBON) as an electrode.

Figure 0007372060000001
Figure 0007372060000001

Claims (5)

線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、
前記線状部の平均繊維径が0.1~5.0μmであり、
JIS P8125に準拠して測定されるテーバー曲げ剛さが、16gf・cm以上38gf・cm以下であり、
厚みが0.1mm以上1.0mm以下であり、
空隙率が85%以上97%以下であり、
炭素含有率が90質量%以上であり、
前記結合部の密度が、15,000個/mm 以上である、
ことを特徴とする燃料電池、レドックスフロー電池又は水電解用炭素フォーム。
It has a linear part and a connecting part that connects the linear part,
The linear portion has an average fiber diameter of 0.1 to 5.0 μm,
Taber bending stiffness measured in accordance with JIS P8125 is 16gf・cm or more and 38gf・cm or less,
The thickness is 0.1 mm or more and 1.0 mm or less,
The porosity is 85% or more and 97% or less,
The carbon content is 90% by mass or more,
The density of the bonding portion is 15,000 pieces/mm 3 or more,
A carbon foam for fuel cells, redox flow batteries or water electrolysis, characterized by:
少なくとも一部において、前記炭素フォームの厚み方向をx方向、前記x方向に垂直な方向をy方向、前記x方向及び前記y方向に垂直な方向をz方向とし、
300μm×300μm×300μmの領域内に含まれる前記線状部の
前記x方向に対する配向角度の平均値をθavex、
前記y方向に対する配向角度の平均値をθavey、
前記z方向に対する配向角度の平均値をθavez、
と定義したときに、
前記θavex、前記θavey、前記θavezの中の最大値と最小値との差θcが3°以上である、請求項1に記載の炭素フォーム。
At least in part, the thickness direction of the carbon foam is the x direction, the direction perpendicular to the x direction is the y direction, and the direction perpendicular to the x direction and the y direction is the z direction;
The average value of the orientation angle with respect to the x direction of the linear portion included in a region of 300 μm x 300 μm x 300 μm is θavex,
The average value of the orientation angle with respect to the y direction is θavey,
The average value of the orientation angle with respect to the z direction is θavez,
When defined as
The carbon foam according to claim 1, wherein a difference θc between a maximum value and a minimum value among the θavex, θavey, and θavez is 3° or more.
前記結合部の数に対する前記線状部の数の割合が1.3以上1.6以下である、請求項1又は2に記載の炭素フォーム。 The carbon foam according to claim 1 or 2, wherein the ratio of the number of the linear parts to the number of the bonding parts is 1.3 or more and 1.6 or less. 前記結合部の密度が、30,000個/mm以上である、請求項1~3の何れか一項に記載の炭素フォーム。 The carbon foam according to any one of claims 1 to 3, wherein the density of the bonded portions is 30,000 pieces/mm 3 or more. 前記線状部の平均繊維径が0.5~4.0μmである、請求項1~4の何れか一項に記載の炭素フォーム。 The carbon foam according to any one of claims 1 to 4 , wherein the linear portion has an average fiber diameter of 0.5 to 4.0 μm.
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