JP2008226579A - Porous carbon sheet - Google Patents

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崇史 千田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct methanol type fuel cell exhibiting high cell performance by balancing a mass transfer property in an anode with suppression of methanol crossover. <P>SOLUTION: This porous carbon sheet for an anode electrode base material of a direct methanol type fuel cell is composed by bonding dispersing short carbon fibers with a resin carbide, has a plurality of through-holes penetrating the front and back surfaces of the sheet, and is characterized in that the diameter of each through-hole on the sheet is 100-400 μm. An anode electrode base material, a membrane-electrode assembly and this direct methanol type fuel cell using it are also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、多孔質炭素シートに関するものである。本発明に係る多孔質炭素シートは、ダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと略記する場合もある)のアノード電極基材として用いられる。   The present invention relates to a porous carbon sheet. The porous carbon sheet according to the present invention is used as an anode electrode base material of a direct methanol fuel cell (hereinafter sometimes abbreviated as DMFC).

燃料電池では、燃料供給側のアノード、電解質、空気供給側のカソードを貼り合わせて一体化した基本部品が用いられる。燃料電池において、燃料、酸素、反応生成物など、発電反応に関係する物質のセル内での移動性は、電池性能を決定する重要な要素の一つであり、燃料電池のアノードやカソードに用いられる電極基材は、電池内部の物質移動性に大きな影響を与える重要な部材である。例えば、特許文献1では、電解質としてリン酸を用いるリン酸型燃料電池用の電極基材として、特許文献2では電解質として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池用の電極基材として、物質移動性を高めるために、貫通孔を有するカーボンペーパーが提案されている。特許文献1や特許文献2で対象としている燃料電池は、燃料として気体である水素を用いているため、それら文献で開示される技術でも十分な物質移動性を確保することはできている。   In a fuel cell, basic components are used in which an anode on a fuel supply side, an electrolyte, and a cathode on an air supply side are bonded together. In fuel cells, the mobility of substances related to power generation reactions such as fuel, oxygen, and reaction products within the cell is one of the important factors that determine battery performance, and is used for anodes and cathodes of fuel cells. The electrode base material is an important member that greatly affects the mass mobility inside the battery. For example, in Patent Document 1, as an electrode base material for a phosphoric acid fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, in Patent Document 2, an electrode base material for a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. In order to improve mass mobility, carbon paper having through holes has been proposed. Since the fuel cells targeted in Patent Document 1 and Patent Document 2 use gaseous hydrogen as the fuel, even the techniques disclosed in these documents can ensure sufficient mass mobility.

しかし、近年、固体高分子型燃料電池の一種であるDMFCが、小型化、軽量化が比較的に容易となるため、家庭用コンピューターや携帯電話用の電源として注目されている。DMFCでは、燃料として液体であるメタノールが直接アノードへ投入されるため、アノードに供給されたメタノールが、固体高分子電解質膜を通って、プロトン伝導と共にカソード側に透過してしまい、カソードで酸化されて電池性能低下を引き起こす、いわゆるメタノールクロスオーバーという、他の燃料電池と異なる特有の問題が発生することがある。   However, in recent years, DMFC, which is a type of polymer electrolyte fuel cell, has attracted attention as a power source for home computers and mobile phones because it is relatively easy to reduce the size and weight. In DMFC, methanol, which is a liquid, is directly fed to the anode as fuel, so that the methanol supplied to the anode passes through the solid polymer electrolyte membrane and permeates to the cathode side along with proton conduction, and is oxidized at the cathode. Thus, a unique problem different from other fuel cells, such as so-called methanol crossover, which causes a decrease in battery performance may occur.

DMFCにおいても、特許文献3で貫通孔を有するカーボンペーパーが提案されているが、特許文献3では、平均直径が18〜25μm程度の貫通孔が実施例で採用されており、アノード反応により生成する二酸化炭素の排出性向上は不十分である。一方、DMFCにおいて、特にアノードとして用いる電極基材として、単に上記実施例よりも大きい直径の貫通孔を有するカーボンペーパーを用いた場合、アノード反応により生成する二酸化炭素の排出性が向上するだけでなく、アノードの触媒層へのメタノールの移動性も向上してしまうため、メタノールクロスオーバーによる性能低下が促進されてしまう。すなわち、従来の技術では、アノードでの物質移動性の向上と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させるような、高い電池性能を示す電極基材は見出されていなかった。
特許第2820492号公報(第3頁) 特開平8−111226号公報(第3頁、段落番号0009) 特開2005−174621号公報(第2頁)
Also in DMFC, carbon paper having through-holes is proposed in Patent Document 3, but in Patent Document 3, through-holes having an average diameter of about 18 to 25 μm are employed in Examples, and are generated by an anode reaction. Improvement of carbon dioxide emission is insufficient. On the other hand, in the case of DMFC, when carbon paper having a through-hole having a diameter larger than that of the above example is used as an electrode base material used particularly as an anode, not only the discharge of carbon dioxide generated by the anode reaction is improved. Moreover, since the mobility of methanol to the catalyst layer of the anode is also improved, performance degradation due to methanol crossover is promoted. That is, in the prior art, an electrode base material having high battery performance that achieves both improvement in mass mobility at the anode and suppression of methanol crossover has not been found.
Japanese Patent No. 2820492 (page 3) JP-A-8-111226 (page 3, paragraph number 0009) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-174621 (second page)

本発明は、従来の技術における上述した問題点に鑑みてなされたものであり、アノードでの物質移動性の向上と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させて、高い電池性能を示すDMFCを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the prior art, and provides a DMFC that exhibits high battery performance while achieving both improvement in mass mobility at the anode and suppression of methanol crossover. For the purpose.

前記目的を達成するため、本発明の多孔質炭素シートは、次の構成を有する。すなわち、分散している炭素短繊維が樹脂炭化物で結着されてなる多孔質炭素シートであって、シートの表裏を貫く複数の貫通孔を有し、シートにおける貫通孔の直径が100〜400μmであることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池のアノード電極基材用多孔質炭素シートである。   In order to achieve the object, the porous carbon sheet of the present invention has the following configuration. That is, a porous carbon sheet in which dispersed carbon short fibers are bound with resin carbide, and has a plurality of through holes penetrating the front and back of the sheet, and the diameter of the through holes in the sheet is 100 to 400 μm. A porous carbon sheet for an anode electrode base material of a direct methanol fuel cell, characterized in that:

また、前記目的を達成するため、本発明のアノード電極基材は、次の構成を有する。すなわち、前記した多孔質炭素シートを含んでなるダイレクトメタノール型燃料電池のアノード電極基材である。   Moreover, in order to achieve the said objective, the anode electrode base material of this invention has the following structure. That is, it is an anode electrode base material for a direct methanol fuel cell comprising the porous carbon sheet described above.

また、前記目的を達成するため、本発明の膜−電極接合体は、次の構成を有する。すなわち、固体高分子電解質膜の両表面に触媒層を有し、さらに片側の触媒層には、前記したアノード電極基材が接し、他方の触媒層にはカソード電極基材が接してなるダイレクトメタノール型燃料電池用膜−電極接合体である。   Moreover, in order to achieve the said objective, the membrane-electrode assembly of this invention has the following structure. That is, direct methanol having a catalyst layer on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, further having the above-mentioned anode electrode substrate in contact with one catalyst layer and the cathode electrode substrate in contact with the other catalyst layer. Type fuel cell membrane-electrode assembly.

さらに、前記目的を達成するため、本発明のダイレクトメタノール型燃料電池は、次の構成を有する。すなわち、前記した膜−電極接合体を用いてなるダイレクトメタノール型燃料電池である。   Furthermore, in order to achieve the object, the direct methanol fuel cell of the present invention has the following configuration. That is, a direct methanol fuel cell using the above-described membrane-electrode assembly.

本発明によれば、アノードでの物質移動性と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させ、高い電池性能を示すダイレクトメタノール型燃料電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the direct methanol fuel cell which makes the mass mobility in an anode and suppression of methanol crossover compatible, and shows high cell performance can be provided.

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る多孔質炭素シート1の表面を示す光学顕微鏡写真である。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an optical micrograph showing the surface of a porous carbon sheet 1 according to an embodiment of the present invention.

図1において、多孔質炭素シート1は、線状に見える炭素短繊維3が分散しており、炭素短繊維3が樹脂炭化物4で結着されている。ここで、分散した状態とは、炭素短繊維がシート面内において顕著な配向を持たず概ねランダムに、例えば、無作為な方向に存在している状態であることが多い。具体的には、後述する抄造法により短繊維が分散した状態である。そして、多孔質炭素シート1はシートの表裏を貫く複数の貫通孔2を有している(図1では、1つの貫通孔を示している)。貫通孔2は、シートの面に垂直な方向に貫通している。   In FIG. 1, a short carbon fiber 3 that looks linear is dispersed in a porous carbon sheet 1, and the short carbon fiber 3 is bound by a resin carbide 4. Here, the dispersed state is often a state in which the short carbon fibers do not have a remarkable orientation in the sheet surface and are present almost randomly, for example, in a random direction. Specifically, the short fibers are dispersed by a papermaking method to be described later. And the porous carbon sheet 1 has the some through-hole 2 which penetrates the front and back of a sheet | seat (In FIG. 1, one through-hole is shown.). The through hole 2 penetrates in a direction perpendicular to the sheet surface.

本発明では、貫通孔の直径が100〜400μmの範囲内、好ましくは120〜350μmの範囲内、より好ましくは150〜300μmの範囲内にある。本発明の多孔質炭素シートは、貫通孔の直径を前記範囲内に制御することにより、それをDMFCのアノード電極基材として用いたときに、アノードでの物質移動性と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させることができ、得られるDMFCは高い電池性能を示す。貫通孔の直径が小さすぎると、アノード反応により生成する二酸化炭素ガスの排出性が低下し、滞留したガスが反応に必要なメタノールの供給を阻害して電池の性能低下を引き起こすし、逆に大きすぎると、二酸化炭素ガスの排出性は向上するが、アノードの触媒層へのメタノールの供給が過剰となり、メタノールクロスオーバーにより電池性能が低下する。なお、貫通孔の直径は、多孔質炭素シートの表面を、光学顕微鏡により100倍の倍率で撮影した写真から測定して求めることができる。貫通孔が円形でない場合は、孔の長径と短径の平均値を直径とみなす。測定は、多孔質炭素シートの両面のそれぞれ20ヶ所の孔で行い、それらの平均値をシートにおける貫通孔の直径とする。   In the present invention, the diameter of the through hole is in the range of 100 to 400 μm, preferably in the range of 120 to 350 μm, more preferably in the range of 150 to 300 μm. In the porous carbon sheet of the present invention, by controlling the diameter of the through hole within the above range, when it is used as the anode electrode base material of DMFC, mass mobility at the anode and suppression of methanol crossover are suppressed. The obtained DMFC exhibits high battery performance. If the diameter of the through-hole is too small, the discharge of carbon dioxide gas generated by the anode reaction will be reduced, and the accumulated gas will inhibit the supply of methanol necessary for the reaction, causing a decrease in battery performance, and conversely large If the amount is too high, the carbon dioxide gas discharge performance is improved, but the supply of methanol to the catalyst layer of the anode becomes excessive, and the battery performance deteriorates due to methanol crossover. In addition, the diameter of a through-hole can be calculated | required by measuring the surface of a porous carbon sheet from the photograph image | photographed by the optical microscope at 100 time magnification. When the through hole is not circular, the average value of the major axis and minor axis of the hole is regarded as the diameter. The measurement is performed at 20 holes on both sides of the porous carbon sheet, and the average value thereof is taken as the diameter of the through hole in the sheet.

アノードの触媒層へのメタノール供給と、発電反応で生成した二酸化炭素ガスの排出を安定して行うためには、光学顕微鏡で撮影した個々の貫通孔の直径が、前記貫通孔の直径の平均値の0.5〜2倍の範囲内にあることが好ましい。   In order to stably supply methanol to the anode catalyst layer and discharge the carbon dioxide gas generated by the power generation reaction, the diameter of each through hole taken with an optical microscope is the average value of the diameters of the through holes. It is preferable that it exists in the range of 0.5-2 times.

本発明において、シートにおける貫通孔の密度は、10〜500個/cm、好ましくは20〜400個/cm、より好ましくは50〜250個/cmの範囲内にあるのが良い。シートにおける貫通孔の密度が小さすぎると、貫通孔による二酸化炭素ガスの排出性向上の効果が低下することがある一方で、逆に大きすぎると、アノードの触媒層へのメタノールの供給が過剰となり、メタノールクロスオーバーにより電池性能が低下することがあり、また、多孔質炭素シートの強度が低下して割れやすくなるため、シートの製造時および撥水処理等の高次加工時の工程通過性が悪くなることがある。なお、シートにおける貫通孔の密度は、多孔質炭素シートの表面を光学顕微鏡により25倍の倍率で撮影した写真から孔数を数え、孔数と写真の撮影面積から算出することができる。 In the present invention, the density of the through holes in the sheet may be in the range of 10 to 500 / cm 2 , preferably 20 to 400 / cm 2 , more preferably 50 to 250 / cm 2 . If the density of the through-holes in the sheet is too small, the effect of improving the carbon dioxide gas discharge performance by the through-holes may be reduced. Conversely, if it is too large, the methanol supply to the anode catalyst layer will be excessive. In addition, battery performance may be reduced due to methanol crossover, and the strength of the porous carbon sheet is reduced and it is easy to break, so that the process passability during high-order processing such as sheet manufacturing and water repellent treatment May be worse. In addition, the density of the through-hole in a sheet | seat can be calculated from the number of holes counted from the photograph which image | photographed the surface of the porous carbon sheet with the magnification of 25 times with the optical microscope, and can be calculated from the number of holes and the imaging | photography area of a photograph.

本発明において、多孔質炭素シート1の厚さは、50〜300μm、好ましくは70〜270μm、より好ましくは100〜250μmの範囲内であるのが良い。多孔質炭素シートの厚さが薄すぎると、シートが容易に割れ、製造時および高次加工時の工程通過性が悪くなることがある一方で、厚すぎると、多孔質炭素シートの柔軟性が低下し、シートをロール状へ巻き取りができなくなることがある。多孔質炭素シートをロール状へ巻き取りができない場合、連続プロセスでの製造、高次加工ができず、生産性が低下する。なお、多孔質炭素シートの厚さは、測定子の断面が直径5mmの円形であるマイクロメーターを用いて、シートの厚さ方向に0.15MPaの面圧を付与して測定することができる。測定は1.5cm間隔の格子状の20点以上で行い、その平均値を厚さとする。   In the present invention, the thickness of the porous carbon sheet 1 is 50 to 300 μm, preferably 70 to 270 μm, and more preferably 100 to 250 μm. If the thickness of the porous carbon sheet is too thin, the sheet is easily cracked, and the process passability during production and high-order processing may be deteriorated. On the other hand, if the thickness is too thick, the flexibility of the porous carbon sheet is reduced. And the sheet may not be wound into a roll. When the porous carbon sheet cannot be wound into a roll, production and high-order processing cannot be performed in a continuous process, and productivity is lowered. The thickness of the porous carbon sheet can be measured by applying a surface pressure of 0.15 MPa in the thickness direction of the sheet using a micrometer having a circular cross section having a diameter of 5 mm. The measurement is performed at 20 or more points in a grid pattern with an interval of 1.5 cm, and the average value is taken as the thickness.

本発明において、多孔質炭素シートの空隙率は、70〜90%、好ましくは73〜87%、より好ましくは75〜85%の範囲内にあるのが良い。多孔質炭素シートの空隙率が小さすぎると、シートのうち貫通孔以外の多孔質部分の物質移動性が低下し、アノード反応により生成する二酸化炭素ガスの排出不足、または、アノードの触媒層へのメタノール供給不足により電池性能が低下することがある一方で、逆に大きすぎると、多孔質炭素シートのうち貫通孔以外の多孔質部分の物質移動性は向上するが、アノードの触媒層へのメタノール供給が過剰となり、メタノールクロスオーバーにより電池性能が低下することがある。なお、多孔質炭素シートの空隙率は、多孔質炭素シートの真密度と見掛密度とから算出することができる。真密度は、よく知られた浮遊法やピクノメータ法等により得ることができる。また、見掛密度は多孔質炭素シートの厚さと目付とから得ることができる。多孔質炭素シートの厚さは、上述のとおりに測定して得られ、多孔質炭素シートの目付(単位面積当たりの重さ)は、10cm×10cm角の多孔質炭素シートの重さを10枚分測定し、その平均値として得られる。   In the present invention, the porosity of the porous carbon sheet is 70 to 90%, preferably 73 to 87%, more preferably 75 to 85%. If the porosity of the porous carbon sheet is too small, the mass mobility of the porous portion other than the through-holes in the sheet will be reduced, the carbon dioxide gas generated by the anode reaction will be insufficiently discharged, or the anode will be exposed to the catalyst layer. Battery performance may be reduced due to insufficient methanol supply. On the other hand, if it is too large, the mass mobility of the porous part other than the through-holes in the porous carbon sheet is improved, but methanol to the catalyst layer of the anode is improved. Supply may become excessive, and battery performance may deteriorate due to methanol crossover. The porosity of the porous carbon sheet can be calculated from the true density and the apparent density of the porous carbon sheet. The true density can be obtained by a well-known floating method or pycnometer method. The apparent density can be obtained from the thickness and basis weight of the porous carbon sheet. The thickness of the porous carbon sheet is obtained by measuring as described above, and the basis weight (weight per unit area) of the porous carbon sheet is 10 pieces of 10 cm × 10 cm square porous carbon sheets. Minutes are measured and obtained as the average value.

本発明の多孔質炭素シートは、図2に示すように、抄紙工程、樹脂含浸工程、圧縮工程、炭化工程、貫通孔加工工程を経て好適に製造することができる。まず、抄紙工程において、炭素短繊維を、水を抄造媒体として連続的に抄造し、さらにポリビニルアルコールなどのバインダーを付与して炭素繊維紙を得る。次に、樹脂含浸工程において、得られた炭素繊維紙に、フェノール樹脂などの樹脂を含浸し、樹脂含浸炭素繊維紙を得る。次に、圧縮工程で樹脂含浸炭素繊維紙を圧縮する。図4は、かかる圧縮工程の一例を示す概略図である。ホットプレス11に上熱板12と下熱板13が互いに平行となるようセットし、下熱板13上にクリアランスを調節するためにスペーサー14を配置して、所望の熱板温度、面圧で、プレス機の開閉を繰り返しながら上下から離型紙で挟み込んだ樹脂含浸炭素繊維紙を間欠的に搬送しつつ、同じ箇所が所望の時間加熱加圧されるよう圧縮処理する。 次に、炭化工程において、圧縮工程を経た炭素繊維紙を前駆体繊維シートとして、窒素などの不活性ガス雰囲気で炭化して、貫通孔のない多孔質炭素シートを得る。炭化工程で、樹脂が炭化され樹脂炭化物となって、炭素短繊維は樹脂炭化物で結着された状態となる。   As shown in FIG. 2, the porous carbon sheet of the present invention can be suitably manufactured through a papermaking process, a resin impregnation process, a compression process, a carbonization process, and a through hole processing process. First, in the paper making process, carbon short fibers are continuously made using water as a paper making medium, and a binder such as polyvinyl alcohol is added to obtain carbon fiber paper. Next, in the resin impregnation step, the obtained carbon fiber paper is impregnated with a resin such as a phenol resin to obtain a resin-impregnated carbon fiber paper. Next, the resin-impregnated carbon fiber paper is compressed in a compression step. FIG. 4 is a schematic view showing an example of such a compression process. Set the upper hot plate 12 and the lower hot plate 13 in the hot press 11 so that they are parallel to each other, and arrange the spacer 14 on the lower hot plate 13 to adjust the clearance, and at the desired hot plate temperature and surface pressure. The resin-impregnated carbon fiber paper sandwiched between release papers from above and below is repeatedly conveyed while being repeatedly opened and closed, and is compressed so that the same portion is heated and pressurized for a desired time. Next, in the carbonization step, carbon fiber paper that has been subjected to the compression step is used as a precursor fiber sheet and carbonized in an inert gas atmosphere such as nitrogen to obtain a porous carbon sheet having no through holes. In the carbonization step, the resin is carbonized to become resin carbide, and the short carbon fibers are bound with the resin carbide.

次に、貫通孔加工工程において、貫通孔のない多孔質炭素シートに、適切な直径を有する針を適切な密度で植えた治具を用いて、シートに複数の孔を開け貫通孔を有する多孔質炭素シートを得る。針の直径を調節することにより貫通孔の直径を制御することができ、針の植え付け密度を調節することにより貫通孔の密度を制御することができる。   Next, in the through-hole processing step, a porous carbon sheet without through-holes is drilled with a plurality of holes in the sheet using a jig in which needles having an appropriate diameter are planted at an appropriate density. A quality carbon sheet is obtained. The diameter of the through hole can be controlled by adjusting the diameter of the needle, and the density of the through hole can be controlled by adjusting the planting density of the needle.

図3に、本発明の一形態に係る多孔質炭素シート1が、アノード電極基材として用いられている、DMFCの膜−電極接合体の部分断面の概念図を示す。   In FIG. 3, the conceptual diagram of the partial cross section of the membrane-electrode assembly of DMFC in which the porous carbon sheet 1 which concerns on one form of this invention is used as an anode electrode base material is shown.

図3に示すように、DMFCの膜−電極接合体6では、固体高分子電解質膜7の両表面に触媒層8を有し、さらに片側の触媒層にはアノード電極基材が接し、他方の触媒層にはカソード電極基材が接してなる。アノード電極基材は、前記した多孔質炭素シートを含んでいる。   As shown in FIG. 3, the DMFC membrane-electrode assembly 6 has catalyst layers 8 on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 7, and the anode electrode substrate is in contact with the catalyst layer on one side and the other side. A cathode electrode base material is in contact with the catalyst layer. The anode electrode substrate includes the porous carbon sheet described above.

アノード電極基材は、多孔質炭素シート1に、撥水性物質が付与されてなる(撥水処理されてなる)のが好ましい。電極基材の表面が撥水性を有すると、DMFCを構成したとき、アノードに供給されるメタノール水溶液が適度にはじかれ、アノード反応により生成する二酸化炭素ガスの排出が、メタノール水溶液の目詰まりにより阻害されるのを抑制することができる。アノードの触媒層へのメタノール供給と、アノードの触媒層からの二酸化炭素ガスの排出のバランスをとることにより、発電反応に関する物質の移動性を十分に確保でき、電池性能が向上する。   The anode electrode base material is preferably formed by applying a water-repellent substance to the porous carbon sheet 1 (water-repellent treatment). If the surface of the electrode substrate has water repellency, when the DMFC is constructed, the methanol aqueous solution supplied to the anode is appropriately repelled, and the discharge of carbon dioxide gas generated by the anode reaction is hindered by clogging of the methanol aqueous solution. Can be suppressed. By balancing the supply of methanol to the anode catalyst layer and the discharge of carbon dioxide gas from the anode catalyst layer, the mobility of the substance related to the power generation reaction can be sufficiently ensured, and the battery performance is improved.

撥水性物質としてはフッ素樹脂が好ましい。撥水処理は、多孔質炭素シート100重量部に対して撥水性物質を、下限として1重量部以上、好ましくは5重量部以上、より好ましくは10重量部以上、上限として70重量部以下、好ましくは50重量部以下、より好ましくは30重量部以下の割合で付着させることによって行うことができる。   The water repellent material is preferably a fluororesin. In the water repellent treatment, the water-repellent substance is used in a lower limit of 1 part by weight or more, preferably 5 parts by weight or more, more preferably 10 parts by weight or more, and the upper limit is 70 parts by weight or less, preferably 100 parts by weight of the porous carbon sheet. Can be carried out by adhering at a ratio of 50 parts by weight or less, more preferably 30 parts by weight or less.

ここで、フッ素樹脂とは、テトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、パーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(FEP)、フッ化エチレンテトラフルオロエチレン樹脂(ETFE)など、その構造中にフッ素原子を含む樹脂のことをいう。   Here, the fluororesin includes tetrafluoroethylene resin (PTFE), perfluoroalkoxy resin (PFA), fluorinated ethylene propylene resin (FEP), fluorinated ethylene tetrafluoroethylene resin (ETFE), etc. A resin containing atoms.

アノード電極基材は、多孔質炭素シート1の少なくとも片側の表面に、導電性を有するガス拡散層5を形成してなることが好ましい。ガス拡散層5は、フッ素樹脂と、導電性を有するカーボンブラックなどにより形成することができる。アノード電極基材が、多孔質炭素シート1の少なくとも片側の表面にガス拡散層5を設けられてなることにより、多孔質炭素シート1の貫通孔による凹凸が覆われ、アノード電極基材においてガス拡散層5を有する面は平滑となるため、膜−電極接合体を構成したとき、触媒層8との電気的接触を確保しやすくなり、また、多孔質炭素シート1と固体高分子電解質膜7との短絡を抑制できるという効果を有する。   The anode electrode substrate is preferably formed by forming a conductive gas diffusion layer 5 on at least one surface of the porous carbon sheet 1. The gas diffusion layer 5 can be formed of a fluororesin and conductive carbon black. Since the anode electrode base material is provided with the gas diffusion layer 5 on at least one surface of the porous carbon sheet 1, the irregularities due to the through holes of the porous carbon sheet 1 are covered, and gas diffusion is performed in the anode electrode base material. Since the surface having the layer 5 is smooth, it is easy to ensure electrical contact with the catalyst layer 8 when a membrane-electrode assembly is formed, and the porous carbon sheet 1 and the solid polymer electrolyte membrane 7 The short circuit can be suppressed.

カソード電極基材も、同様に、撥水処理およびガス拡散層を形成してなることが好ましいが、そこに多孔質炭素シートを用いる場合には、本発明の多孔質炭素シートのような貫通孔を有する多孔質炭素シートを用いても良いが、貫通孔を設けた際の電池性能向上の効果がアノードと比べて小さいため、貫通孔を有さないものを用いたほうが、貫通孔加工工程を省略でき製造コスト削減の点では好ましい。   Similarly, the cathode electrode base material is preferably formed by forming a water-repellent treatment and a gas diffusion layer. When a porous carbon sheet is used for the cathode electrode base material, a through-hole such as the porous carbon sheet of the present invention is used. However, since the effect of improving the battery performance when the through hole is provided is smaller than that of the anode, it is better to use the one without the through hole. This can be omitted and is preferable in terms of manufacturing cost reduction.

そのようなアノード電極基材やカソード電極基材は、ガス拡散層5側が、触媒層8に接するように接合されて膜−電極接合体6が構成される。また、その膜−電極接合体6の両側にガスケットを介してセパレータで挟んだものを複数個積層することによってDMFCを構成することができる。触媒層8は、触媒担持炭素または金属触媒の層からなる。触媒としては、メタノール水溶液が供給されるアノード側には白金およびルテニウムを用いるのが好ましく、酸素が供給されるカソード側には白金を用いるのが好ましい。また、固体高分子電解質膜7に用いられる固体高分子電解質としては、プロトン伝導性、耐酸化性、耐熱性の高い、パーフルオロスルホン酸系の高分子を材料とするものが好ましく用いられる。   Such an anode electrode base material and cathode electrode base material are joined so that the gas diffusion layer 5 side is in contact with the catalyst layer 8 to form the membrane-electrode assembly 6. Also, a DMFC can be configured by laminating a plurality of materials sandwiched between separators via gaskets on both sides of the membrane-electrode assembly 6. The catalyst layer 8 is composed of a catalyst-supporting carbon or metal catalyst layer. As the catalyst, platinum and ruthenium are preferably used on the anode side to which the aqueous methanol solution is supplied, and platinum is preferably used on the cathode side to which oxygen is supplied. Further, as the solid polymer electrolyte used for the solid polymer electrolyte membrane 7, a material made of a perfluorosulfonic acid polymer having high proton conductivity, oxidation resistance and high heat resistance is preferably used.

以下、実施例により、本発明をより具体的に説明する。なお、本実施例における燃料電池電流密度は、次の方法を用いて測定した。
(燃料電池電流密度の測定)
被測定電極基材を、アノード電極基材として用い、実施例1で炭化工程までを経て得た貫通孔のない多孔質炭素シートを、PTFE水系ディスパージョンに浸漬後引き上げて乾燥して、シート100重量部に対してPTFEを25重量部付着させた電極基材を、カソード電極基材として用いる。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. The fuel cell current density in this example was measured using the following method.
(Measurement of fuel cell current density)
Using the electrode substrate to be measured as the anode electrode substrate, the porous carbon sheet without through-holes obtained through the carbonization step in Example 1 was dipped in a PTFE aqueous dispersion and then dried to dry the sheet 100. An electrode substrate having 25 parts by weight of PTFE attached to parts by weight is used as the cathode electrode substrate.

一方、Nafion(登録商標)117(E.I.du Pont de Nemours and Company製)の固体高分子電解質膜の片側表面に、触媒である白金およびルテニウム(重量比1:1)を担持したカーボンとNafionとの混合物を付着させてアノード側の触媒層を形成し、もう一方の表面に触媒である白金を担持したカーボンとNafionとの混合物を付着させてカソード側の触媒層を形成して、膜−触媒シートを用意する。触媒の担持量は、白金およびルテニウムを付着させた側が白金とルテニウムの和で7.0mg/cm、白金を付着させた側が白金で7.0mg/cmである。 On the other hand, on one surface of a solid polymer electrolyte membrane of Nafion (registered trademark) 117 (manufactured by EI du Pont de Nemours and Company), carbon supporting platinum and ruthenium (weight ratio of 1: 1) as catalysts. A catalyst layer on the anode side is formed by adhering a mixture with Nafion, and a catalyst layer on the cathode side is formed by adhering a mixture of carbon carrying platinum as a catalyst and Nafion on the other surface. -Prepare a catalyst sheet. Loading amount of the catalyst, 7.0 mg / cm 2 side were deposited platinum and ruthenium in the sum of platinum and ruthenium, the side adhered with platinum is 7.0 mg / cm 2 platinum.

得られた膜−触媒シートを、ガス拡散層を内側に向けた2枚の電極基材で挟んで、温度130℃、圧力3MPaで加熱加圧して一体化し、膜−電極接合体(MEA)を得る。なお、アノード電極基材を、白金およびルテニウムを含む触媒層側に、カソード電極基材を、白金を含む触媒層側に配置する。また、電極基材および触媒層の面積はいずれも5cmで正方形である。 The obtained membrane-catalyst sheet was sandwiched between two electrode base materials with the gas diffusion layer facing inward, and united by heating and pressurizing at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 3 MPa to form a membrane-electrode assembly (MEA). obtain. The anode electrode base material is arranged on the catalyst layer side containing platinum and ruthenium, and the cathode electrode base material is arranged on the catalyst layer side containing platinum. The areas of the electrode substrate and the catalyst layer are both 5 cm 2 and square.

このMEAを、溝付きセパレータに挟んで、電圧0.4Vにおける電流密度を測定した。電池温度は60℃とし、アノード側へは3.2重量%のメタノール水溶液を1L/分で供給し、カソード側へは空気を50cc/分で供給した。測定された電流密度が高い方が、DMFCとしての性能が優れている。
(実施例1)
図2に示す製造工程に従った。まず、抄紙工程において、東レ株式会社製ポリアクリロニトリル系炭素繊維“トレカ (登録商標) ”T300−6K(平均単繊維径:7μm、単繊維数:6,000本)を12mmの長さにカットし、水を抄造媒体として連続的に抄造し、さらにポリビニルアルコールの10重量%水溶液に浸漬し、乾燥して、炭素短繊維3の目付が約26g/mの長尺の炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。ポリビニルアルコールの付着量は、炭素繊維紙100重量部に対して20重量部に相当する。
The MEA was sandwiched between grooved separators, and the current density at a voltage of 0.4 V was measured. The battery temperature was 60 ° C., a 3.2 wt% aqueous methanol solution was supplied to the anode side at 1 L / min, and air was supplied to the cathode side at 50 cc / min. The higher the measured current density, the better the performance as DMFC.
(Example 1)
The manufacturing process shown in FIG. 2 was followed. First, in the paper making process, polyacrylonitrile carbon fiber “Torayca (registered trademark)” T300-6K (average single fiber diameter: 7 μm, number of single fibers: 6,000 fibers) manufactured by Toray Industries, Inc. was cut to a length of 12 mm. Then, paper is continuously made using water as a paper making medium, and further immersed in a 10% by weight aqueous solution of polyvinyl alcohol and dried to obtain a long carbon fiber paper having a basis weight of carbon short fibers 3 of about 26 g / m 2. Rolled up into a roll. The adhesion amount of polyvinyl alcohol corresponds to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber paper.

次に、樹脂含浸工程において、得られた炭素繊維紙を、中越黒鉛工業所社製鱗片状黒鉛BF−5A(平均粒径5μm)、フェノール樹脂およびメタノールを2:3:24の重量比で混合した分散液に、炭素短繊維100重量部に対してフェノール樹脂が125重量部になるように、連続的に含浸し、90℃の温度で3分間乾燥することにより樹脂含浸炭素繊維紙を得てロール状に巻き取った。フェノール樹脂には、レゾール型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを1:1の重量比で混合した樹脂を用いた。   Next, in the resin impregnation step, the obtained carbon fiber paper was mixed with scale-like graphite BF-5A (average particle size 5 μm) manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd., phenol resin and methanol in a weight ratio of 2: 3: 24. The resulting dispersion is continuously impregnated with 125 parts by weight of phenolic resin with respect to 100 parts by weight of short carbon fibers, and dried at 90 ° C. for 3 minutes to obtain a resin-impregnated carbon fiber paper. Rolled up into a roll. As the phenol resin, a resin in which a resol type phenol resin and a novolac type phenol resin were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used.

次に、図4に示す圧縮工程において、株式会社カワジリ社製100tホットプレスに上熱板12と下熱板13が互いに平行となるようセットし、下熱板13上にスペーサー14を配置して、熱板温度170℃、面圧0.8MPaで、プレスの開閉を繰り返しながら上下から離型紙で挟み込んだ樹脂含浸炭素繊維紙を間欠的に搬送しつつ、同じ箇所がのべ6分間加熱加圧されるよう圧縮処理した。離型紙の厚さを除いた、樹脂含浸炭素繊維紙の成形のために設けられた実質的なクリアランスは0.30mmであった。また、熱板の有効加圧長LPは1200mmで、間欠的に搬送する際の前駆体繊維シートの1回あたりの送り量LFを100mmとし、LF/LP=0.08とした。すなわち、30秒の加熱加圧、型開き、炭素繊維紙の送り(100mm)、を繰り返すことによって圧縮処理を行い、前駆体繊維シートを得てロール状に巻き取った。   Next, in the compression step shown in FIG. 4, the upper heating plate 12 and the lower heating plate 13 are set in a 100 t hot press manufactured by Kawajiri Co., Ltd. so that they are parallel to each other, and the spacer 14 is arranged on the lower heating plate 13. , While heating plate temperature is 170 ° C and surface pressure is 0.8MPa, the same part is heated and pressed for a total of 6 minutes while intermittently transporting resin-impregnated carbon fiber paper sandwiched by release paper from above and below while repeatedly opening and closing the press Compressed to be The substantial clearance provided for molding the resin-impregnated carbon fiber paper, excluding the thickness of the release paper, was 0.30 mm. The effective pressurization length LP of the hot plate was 1200 mm, and the feed amount LF per one time of the precursor fiber sheet when intermittently conveyed was 100 mm, and LF / LP = 0.08. That is, compression treatment was performed by repeating heating and pressurization for 30 seconds, mold opening, and feeding of carbon fiber paper (100 mm) to obtain a precursor fiber sheet, which was wound into a roll.

次に、炭化工程において、得られた前駆体繊維シートを、窒素ガス雰囲気に保たれた、最高温度が2,500℃の加熱炉に導入し、加熱炉内を連続的に走行させながら、約500℃/分(650℃までは400℃/分、650℃を超える温度では600℃/分)の昇温速度で焼成し、貫通孔のない多孔質炭素シートを得てロール状に巻き取った。   Next, in the carbonization step, the obtained precursor fiber sheet was introduced into a heating furnace maintained at a nitrogen gas atmosphere with a maximum temperature of 2,500 ° C., and continuously running in the heating furnace. Firing was performed at a heating rate of 500 ° C./min (400 ° C./min up to 650 ° C., and 600 ° C./min at temperatures exceeding 650 ° C.) to obtain a porous carbon sheet without through-holes and wound into a roll. .

次に、貫通孔加工工程において、貫通孔のない多孔質炭素シートに、直径150μmの針を240本/cmの密度で植えた治具を用いて、複数の貫通孔を開け、貫通孔を有する多孔質炭素シートを得た。 Next, in the through hole processing step, a plurality of through holes are opened using a jig in which needles having a diameter of 150 μm are planted at a density of 240 / cm 2 on a porous carbon sheet having no through holes. A porous carbon sheet was obtained.

このような製造工程を経て得られた多孔質炭素シートをPTFE水系ディスパージョンに浸漬後引き上げて乾燥して、シート100重量部に対してPTFEを25重量部付着させて後、その片面に、カーボンブラックとPTFEとを重量比2:1で含む混合物をシートの単位面積あたり約2mg/cm塗布し、380℃で熱処理することによってガス拡散層を形成して電極基材を得た。 The porous carbon sheet obtained through such a manufacturing process is dipped in a PTFE aqueous dispersion and then pulled up and dried to attach 25 parts by weight of PTFE to 100 parts by weight of the sheet. A mixture containing black and PTFE at a weight ratio of 2: 1 was applied at about 2 mg / cm 2 per unit area of the sheet and heat treated at 380 ° C. to form a gas diffusion layer to obtain an electrode substrate.

得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(実施例2)
貫通孔加工工程において、直径150μmの針を240本/cmの密度で植えた治具に替えて、直径250μmの針を120本/cmの密度で植えた治具を用い、かつ、多孔質炭素シートにPTFEを付着させなかった以外は、実施例1と同様にして電極基材を得た。
Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Example 2)
In the through-hole machining step, a jig in which needles with a diameter of 250 μm are planted at a density of 120 / cm 2 is used instead of a jig in which needles with a diameter of 150 μm are planted at a density of 240 / cm 2. An electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that PTFE was not attached to the carbonaceous sheet.

得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(実施例3)
抄紙工程において炭素短繊維の目付を約26g/mから約17g/mに、圧縮工程において樹脂含浸炭素繊維紙の成形のために設けられた実質的なクリアランスを0.30mmから0.20mmに、貫通孔加工工程において直径150μmの針を240本/cmの密度で植えた治具から直径350μmの針を50本/cmの密度で植えた治具にそれぞれ変更した以外は実施例1と同様にして電極基材を得た。
Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Example 3)
The basis weight of the short carbon fiber in the paper making process is about 26 g / m 2 to about 17 g / m 2 , and the substantial clearance provided for molding the resin-impregnated carbon fiber paper in the compression process is 0.30 mm to 0.20 mm. In addition, in the through hole processing step, the embodiment is different from the jig in which the needle having a diameter of 150 μm is planted at a density of 240 / cm 2 to the jig in which the needle having a diameter of 350 μm is planted at a density of 50 / cm 2. In the same manner as in Example 1, an electrode substrate was obtained.

得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(実施例4)
抄紙工程において、実施例1と同様にして炭素繊維紙を得た。
Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
Example 4
In the paper making process, carbon fiber paper was obtained in the same manner as in Example 1.

次に、樹脂含浸工程において、得られた炭素繊維紙に、フェノール樹脂の10重量%メタノール溶液を、炭素短繊維100重量部に対してフェノール樹脂が250重量部になるように含浸し、90℃で乾燥することにより樹脂含浸炭素繊維紙を得た。フェノール樹脂には、レゾール型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを1:1の重量比で混合した樹脂を用いた。   Next, in the resin impregnation step, the obtained carbon fiber paper was impregnated with a phenol resin 10 wt% methanol solution so that the phenol resin was 250 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the short carbon fiber, and 90 ° C. The resin-impregnated carbon fiber paper was obtained. As the phenol resin, a resin in which a resol type phenol resin and a novolac type phenol resin were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used.

次に、図4に示す圧縮工程において、株式会社カワジリ社製100tホットプレスに上熱板12と下熱板13が互いに平行となるようセットし、下熱板13上にスペーサー14を配置して、熱板温度150℃、面圧0.8MPaで、上下から離型紙で挟み込んだ樹脂含浸炭素繊維紙を30分間継続してプレスして圧縮処理を行い、前駆体繊維シートを得た。樹脂含浸炭素繊維紙の成形のために設けられた実質的なクリアランスは0.33mmであった。   Next, in the compression step shown in FIG. 4, the upper heating plate 12 and the lower heating plate 13 are set in a 100 t hot press manufactured by Kawajiri Co., Ltd. so that they are parallel to each other, and the spacer 14 is arranged on the lower heating plate 13. The resin-impregnated carbon fiber paper sandwiched between release sheets from above and below at a hot plate temperature of 150 ° C. and a surface pressure of 0.8 MPa was continuously pressed for 30 minutes to perform a compression treatment to obtain a precursor fiber sheet. The substantial clearance provided for molding the resin-impregnated carbon fiber paper was 0.33 mm.

次に、得られた前駆体繊維シートを、窒素ガス雰囲気に保たれたバッチ式の加熱炉を用いて2,500℃で焼成を行ない、貫通孔のない多孔質炭素シートを得た。昇温速度は1.7℃/分(800℃までは1℃/分、800℃を超える温度では2℃/分)とした。   Next, the obtained precursor fiber sheet was fired at 2,500 ° C. using a batch-type heating furnace maintained in a nitrogen gas atmosphere to obtain a porous carbon sheet having no through holes. The heating rate was 1.7 ° C./min (1 ° C./min up to 800 ° C., 2 ° C./min at temperatures over 800 ° C.).

次に、貫通孔加工工程以降については、実施例2と同様にして電極基材を得た。   Next, after the through hole processing step, an electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 2.

得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(比較例1)
貫通孔加工工程において、直径50μmの針を600本/cmの密度で植えた治具を用いた以外は、実施例1と同様にして、電極基材を得た。
Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Comparative Example 1)
In the through hole processing step, an electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that a jig in which needles having a diameter of 50 μm were planted at a density of 600 needles / cm 2 was used.

得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(比較例2)
貫通孔加工工程において、直径75μmの針を240本/cmの密度で植えた治具を用い、かつ、多孔質炭素シートにPTFEを付着させなかった以外は、実施例1と同様にして、電極基材を得た。得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(比較例3)
貫通孔加工工程において、直径450μmの針を120本/cmの密度で植えた治具を用いた以外は、実施例1と同様にして、電極基材を得た。得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
(比較例4)
貫通孔加工工程において、直径500μmの針を60本/cmの密度で植えた治具を用い、かつ、多孔質炭素シートにPTFEを付着させなかった以外は、実施例1と同様にして、電極基材を得た。得られた電極基材をアノード電極基材として用いて燃料電池電流密度の測定を行った。得られた電極基材の諸元および評価結果を表1にまとめて示す。
Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Comparative Example 2)
In the through hole processing step, the same procedure as in Example 1 was performed except that a jig in which needles having a diameter of 75 μm were planted at a density of 240 / cm 2 and PTFE was not attached to the porous carbon sheet, An electrode substrate was obtained. Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Comparative Example 3)
In the through hole processing step, an electrode substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that a jig in which needles having a diameter of 450 μm were planted at a density of 120 / cm 2 was used. Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.
(Comparative Example 4)
In the through hole processing step, except that a jig planted with a needle having a diameter of 500 μm at a density of 60 / cm 2 was used, and PTFE was not adhered to the porous carbon sheet, the same as in Example 1, An electrode substrate was obtained. Using the obtained electrode base material as an anode electrode base material, the fuel cell current density was measured. Table 1 summarizes the specifications and evaluation results of the obtained electrode substrate.

実施例1〜4では、多孔質炭素シートが複数の貫通孔を有し、貫通孔の直径が100〜400μmであるため、DMFCのアノード電極基材として用いたときに、アノードでの物質移動性と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させることができ、図5に示すとおり、高い燃料電池電流密度を示している。   In Examples 1 to 4, the porous carbon sheet has a plurality of through holes, and the diameter of the through holes is 100 to 400 μm. Therefore, when used as an anode electrode base material of DMFC, the mass mobility at the anode And methanol crossover can be suppressed at the same time, and as shown in FIG. 5, a high fuel cell current density is shown.

一方、比較例1では多孔質炭素シートが貫通孔を有しておらず、また比較例2では、多孔質炭素シートが複数の貫通孔を有しているが、貫通孔の直径が100μm未満であるため、アノード反応により生成する二酸化炭素ガスの排出性が低下し、滞留したガスが反応に必要なメタノールの供給を阻害して燃料電池電流密度が低下している。また、比較例3および4では、多孔質炭素シートが複数の貫通孔を有しているが、貫通孔の直径が400μmを超えるため、二酸化炭素ガスの排出性は向上するが、アノードの触媒層へのメタノールの供給が過剰となり、メタノールクロスオーバーにより燃料電池電流密度が低下している。   On the other hand, in Comparative Example 1, the porous carbon sheet does not have through holes, and in Comparative Example 2, the porous carbon sheet has a plurality of through holes, but the diameter of the through holes is less than 100 μm. For this reason, the discharge of carbon dioxide gas generated by the anode reaction is reduced, and the staying gas hinders the supply of methanol necessary for the reaction, and the fuel cell current density is reduced. In Comparative Examples 3 and 4, although the porous carbon sheet has a plurality of through holes, the diameter of the through holes exceeds 400 μm, so that the carbon dioxide gas discharge performance is improved, but the catalyst layer of the anode Methanol is excessively supplied to the fuel cell, and the fuel cell current density is reduced due to methanol crossover.

以上のように、本発明によれば、アノードでの物質移動性と、メタノールクロスオーバーの抑制を両立させて、高い電池性能を示すDMFCを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a DMFC exhibiting high battery performance while achieving both mass mobility at the anode and suppression of methanol crossover.

本発明によるDMFCは、家庭用コンピューターや携帯電話用の電源などとして好適に用いられる。   The DMFC according to the present invention is suitably used as a power source for home computers and mobile phones.

本発明の一形態に係る多孔質炭素シートの表面を示す光学顕微鏡写真(50倍)である。It is an optical microscope photograph (50 times) which shows the surface of the porous carbon sheet which concerns on one form of this invention. 本発明の多孔質炭素シートの製造に好適な製造工程の工程図である。It is process drawing of a manufacturing process suitable for manufacture of the porous carbon sheet of this invention. 本発明の一形態に係る多孔質炭素シートが、アノード電極基材として用いられている、DMFCの膜−電極接合体の部分断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the partial cross section of the membrane-electrode assembly of DMFC in which the porous carbon sheet which concerns on one form of this invention is used as an anode electrode base material. 本発明の多孔質炭素シートの製造に好適な製造工程での圧縮工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the compression process in the manufacturing process suitable for manufacture of the porous carbon sheet of this invention. 実施例で得られた多孔質炭素シートについて、貫通孔の直径と燃料電池電流密度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the diameter of a through-hole, and a fuel cell current density about the porous carbon sheet obtained in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1:多孔質炭素シート
2:貫通孔
3:炭素短繊維
4:樹脂炭化物
5:ガス拡散層
6:膜−電極接合体
7:固体高分子電解質膜
8:触媒層
9:(貫通孔を有さない)多孔質炭素シート
10:前駆体繊維シート
11:ホットプレス
12:上熱板
13:下熱板
14:スペーサー
1: porous carbon sheet 2: through-hole 3: carbon short fiber 4: resin carbide 5: gas diffusion layer 6: membrane-electrode assembly 7: solid polymer electrolyte membrane 8: catalyst layer 9: (having a through-hole Not) Porous carbon sheet 10: precursor fiber sheet 11: hot press 12: upper hot plate 13: lower hot plate 14: spacer

Claims (9)

分散している炭素短繊維が樹脂炭化物で結着されてなる多孔質炭素シートであって、シートの表裏を貫く複数の貫通孔を有し、シートにおける貫通孔の直径が100〜400μmであることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池のアノード電極基材用多孔質炭素シート。 It is a porous carbon sheet formed by binding carbon short fibers dispersed with resin carbide, and has a plurality of through holes penetrating the front and back of the sheet, and the diameter of the through holes in the sheet is 100 to 400 μm. A porous carbon sheet for an anode electrode base material of a direct methanol fuel cell. シートにおける貫通孔の密度が10〜500個/cmである請求項1に記載の多孔質炭素シート。 The porous carbon sheet according to claim 1, wherein the density of through holes in the sheet is 10 to 500 / cm 2 . 厚さが50〜300μmである請求項1または2に記載の多孔質炭素シート。 The porous carbon sheet according to claim 1 or 2, which has a thickness of 50 to 300 µm. 空隙率が70〜90%である請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質炭素シート。 The porous carbon sheet according to any one of claims 1 to 3, wherein the porosity is 70 to 90%. 請求項1〜4のいずれかに記載の多孔質炭素シートを含んでなるダイレクトメタノール型燃料電池のアノード電極基材。 An anode electrode base material for a direct methanol fuel cell, comprising the porous carbon sheet according to claim 1. 撥水性物質が付与されてなる請求項5に記載のアノード電極基材。 The anode electrode base material according to claim 5, which is provided with a water repellent substance. 少なくとも片側表面に、導電性を有するガス拡散層が形成されてなる請求項5または6に記載のアノード電極基材。 The anode electrode base material according to claim 5 or 6, wherein a gas diffusion layer having conductivity is formed on at least one surface. 固体高分子電解質膜の両表面に触媒層を有し、さらに片側の触媒層には、請求項5〜7のいずれかに記載のアノード電極基材が接し、他方の触媒層にはカソード電極基材が接してなるダイレクトメタノール型燃料電池用膜−電極接合体。 It has a catalyst layer on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, Furthermore, the anode electrode base material in any one of Claims 5-7 is contact | connected to the catalyst layer of one side, and a cathode electrode base | substrate is contacted with the other catalyst layer. A membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell formed by contacting a material. 請求項8に記載の膜−電極接合体を用いてなるダイレクトメタノール型燃料電池。 A direct methanol fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 8.
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