JP2010257748A - 多孔質電極基材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】平面内に分散した炭素短繊維集合体に、環球法で測定した軟化点が75〜95℃であるノボラック型フェノール樹脂Nと、B型粘度計で測定した見掛け粘度が50〜140mPa・sであるレゾール型フェノール樹脂Rの60wt%メタノール溶液を固形分質量比でN:R=80:20〜85:15となるように混合した樹脂組成物を、炭素繊維100質量部に対して樹脂組成物が70〜130質量部になるように含浸して中間基材を得る工程;
前記中間基材を加熱して前記樹脂組成物を炭素化する工程;
を有する多孔質電極基材の製造方法。
【選択図】図1
Description
このような高分子電解質膜と2枚のガス拡散電極からなる接合体は膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。またMEAの両外側には燃料ガス又は酸化ガスを供給し、かつ生成ガス及び過剰ガスを排出することを目的としたガス流路を形成したセパレーターが設置されている。
多孔質電極基材は主に次の3つの機能を持つ。第1に、多孔質電極基材の外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路より触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガス又は酸化ガスを供給する機能である。第2に、触媒層で反応により生成した水を排出する機能である。第3に、触媒層での反応に必要な電子又は生成される電子をセパレーターへ伝導する機能である。
(1)平面内に分散した炭素短繊維集合体に、環球法で測定した軟化点が75〜95℃であるノボラック型フェノール樹脂Nと、B型粘度計で測定した見掛け粘度が50〜140mPa・sであるレゾール型フェノール樹脂Rの60wt%メタノール溶液を固形分質量比でN:R=80:20〜85:15となるように混合した樹脂組成物を、炭素繊維100質量部に対して樹脂組成物が70〜130質量部になるように含浸して中間基材を得る工程;
前記中間基材を加熱して前記樹脂組成物を炭素化する工程;
を有する多孔質電極基材の製造方法。
(2)上記(1)に記載の製造方法で得られた多孔質電極基材を、固形分5〜30重量%のポリテトラフルオロエチレンディスパージョンに浸漬する工程;
さらに乾燥し、ポリテトラフルオロエチレンを多孔質電極基材に焼結させる工程;
を有する多孔質電極基材の製造方法。
(3)撥水処理前に対する撥水処理後の厚み方向の比抵抗増加量ΔR[Ω・cm]および比抵抗増加率S[%]が、ΔR≦0.1およびS≦25の関係を満足する、上記(2)に記載の撥水処理された多孔質電極基材。
本発明において、平面内に分散した炭素短繊維集合体は、特定の厚みや大きさに限定されず、炭素短繊維を主要構成要素とする不織布、抄紙体、フェルト、クロス等を包含する。また、それらの製造方法は特に限定されず、例えば、ウォータージェット処理やスチームジェット処理などによって繊維を交絡してもよい。特に、複数本の炭素短繊維が集合してなる抄紙体が好ましく、表面平滑性が高く、電気的接触が良好で、かつ高分子電解質膜への突き刺さりによる短絡が低減される複数本の炭素短繊維が集合してなる抄紙体がより好ましい。
本発明で使用する炭素短繊維の平均直径は特に限定されないが、例えば、表面平滑性、導電性の付与のためには3〜30μm程度が好ましく、4〜20μmがより好ましく、4〜8μmがさらに好ましい。また、異なる平均直径の炭素短繊維を2種類以上用いることも、表面平滑性、導電性の両立のために好ましい。炭素短繊維の長さは特に限定されないが、抄紙時の分散性、及び機械的強度を高めるために、3mm以上12mm以下が好ましく、3mm以上9mm以下がより好ましい。
炭素繊維の種類は特に限定されるものでなく、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、フェノール樹脂系炭素繊維、再生セルロース系炭素繊維、セルロース系炭素繊維等を使用することができる。これらの炭素繊維を1種又は2種以上組み合わせて使用することができる。特に、圧縮強度や引張強度が高いことから、PAN系炭素繊維が好ましい。
本発明で使用するノボラック型フェノール樹脂は、一般的なノボラック型フェノール樹脂(軟化点100℃以上)に比べても軟化点が低く、環球法(JIS K5601−2−2)で測定した軟化点が75〜95℃である。75〜90℃であることがより好ましく、75〜85℃であることが特に好ましい。軟化点が95℃以下であることによって、従来よりも低い温度での成形加工が可能となり、製造工程におけるユーティリティコストを低減できる。また軟化点が75℃以上であることによって、室温で融着することなく取り扱うことができる。
本発明で使用するレゾール型フェノール樹脂は、固体高分子電解質のプロトン伝導性低下の要因となる金属を含まない触媒を用いて製造されたものが好ましく、そのようなレゾール型フェノール樹脂としては、アンモニア触媒レゾール型フェノール樹脂がある。レゾール型フェノール樹脂の見掛け粘度は、溶媒の種類や固形分濃度によって容易に変化するため一概には言えないが、固形分濃度60wt%のメタノール溶液であれば、後の樹脂含浸工程において良好な取扱性を維持したまま樹脂付着量を制御するために、JIS K7117−1に準拠してB型粘度計で測定した値が、50〜140mPa・sである。
前記ノボラック型フェノール樹脂Nおよび前記レゾール型フェノール樹脂Rの混合比率は、樹脂組成物の流動性を制御するために適宜設定することができるが、固形分質量比でN:R=80:20〜85:15である。N比率を80%以上とすることで、得られる多孔質電極基材のガス透過性と導電性が、Rを単独で用いて製造した場合に比べ著しく向上する。またN比率を85%以下とすることで、残炭率が低くなりすぎず力学的強度や導電性を維持できる。ここで残炭率とは、元の樹脂組成物の固形分質量を100%としたときの樹脂炭素化物の質量比であり、炭素化の度合いを表す指標である。一般にR単独の残炭率は50〜60%程度、N単独の残炭率は20〜30%程度である。本発明の樹脂組成物はN比率が80〜85%と非常に高く、従って、先行文献で示された樹脂組成物に比べ残炭率は低くなる。炭素化後の結着面積および結着点数を十分確保する観点から、炭素短繊維集合体に対する樹脂組成物の付着量は、炭素繊維100質量部に対して70〜130質量部であり、好ましくは70〜100質量部がよい。
前記炭素短繊維集合体に前記樹脂組成物を含浸して中間基材を得る方法としては、例えばコーターを用いて炭素短繊維集合体表面に樹脂を均一にコートする方法、絞り装置を用いるdip−nip方法、もしくは炭素短繊維集合体と樹脂フィルムを重ねて樹脂フィルムを炭素短繊維集合体に転写する方法などが知られているが、炭素短繊維集合体に樹脂組成物を均一に含浸する方法であればよく、本発明により特に限定されるものではない。
中間基材を加熱して樹脂組成物を炭素化する方法としては、室温からの連続昇温により完全に硬化し、さらに続けて炭素化するような方法であればよく、不活性雰囲気下にて800〜2400℃の温度範囲で行うことが好ましい。また、不活性雰囲気下にて300〜800℃の温度範囲で前処理をしても良い。前処理を行うことで炭素化初期段階において発生する分解ガスを十分に出し切ることができ、炭素化炉内壁への分解物の付着堆積を抑制することができるため好ましい。さらに、300〜2400℃での処理前に150〜300℃の温度範囲で加熱加圧処理をしても良い。加熱加圧処理により樹脂組成物がある程度硬化するため、基材の厚み制御の観点から行うことが好ましい。加熱加圧処理は中間基材を2枚以上重ねて行ってもよい。加熱加圧に要する圧力や時間は、均一な厚みのシートが得られる圧力範囲や時間範囲であればよく、本発明により特に限定されるものではない。
固体高分子型燃料電池はカソード側において電極反応生成物としての水や高分子電解質膜を浸透した水が発生する。またアノード側では高分子電解質膜の乾燥を抑制するために加湿された燃料が供給される。このような点から、本発明の多孔質電極基材は、ガス透過性を確保するため、撥水性高分子によって撥水処理がされている。撥水性高分子としては、化学的に安定でかつ高い撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素樹脂を用いることが好ましい。
多孔質電極基材への撥水処理の方法としては、撥水性高分子の微粒子が分散した分散水溶液(ディスパージョン)中に多孔質電極基材を浸漬させるディップ法、分散水溶液を噴霧するスプレー法などを用いることができるが、面内方向、厚み方向への導入量の均一性の高いディップ法が好ましい。ディップ法で用いるPTFEディスパージョン濃度は特に限定されないが、多孔質電極基材の空隙を埋めることなく、かつ一様にPTFEを付着させるために固形分5〜30重量%程度が好ましい。10〜30重量%がより好ましく、15〜25重量%が特に好ましい。
PTFEを多孔質電極基材に焼結させる温度は、PTFEが軟化して炭素短繊維あるいは樹脂炭素化物に結着し、かつPTFEが熱分解しない温度範囲でなければならない。300〜390℃がより好ましく、330〜360℃が特に好ましい。
・ ノボラック型フェノール樹脂の軟化点
本発明におけるノボラック型フェノール樹脂の軟化点の測定は、JIS K5601−2−2に規定する環球法に準拠し、環球式自動軟化点試験器(商品名:ASP−MG2、株式会社メイテック製)を使用し、下記の測定条件で行った。
環:内径16mm、深さ6.4mmの黄銅製肩付き環
球:直径9.5mm、重量3.5gの鋼球
温度:液浴の液温を5℃/minで上昇させた。
・ レゾール型フェノール樹脂メタノール溶液の見掛け粘度
本発明におけるレゾール型フェノール樹脂メタノール溶液(固形分濃度60wt%)の測定は、JIS K7117−1に準拠し、B型粘度計(商品名:BII形粘度計、東機産業株式会社製)を使用し、Mロータ(No.1)の回転速度を30rpmとし、温度25℃にて行った。
・ 厚み
多孔質電極基材の厚みは、厚み測定装置(商品名:ダイヤルシックネスゲージ7321、株式会社ミツトヨ製)を使用して測定した。測定子の大きさは直径10mmで、測定圧力は1.5kPaとした。
(4)厚み方向の比抵抗
多孔質電極基材の厚み方向の比抵抗は、試料を金メッキした銅板に挟み、金メッキした銅板の上下から1MPaで加圧し、10mA/cm2の電流密度で電流を流したときの抵抗値を測定し、次式より求めた。
厚み方向の比抵抗(Ω・cm)=測定抵抗値(Ω)×試料面積(cm2)/試料厚み(cm)
(5)厚み方向のガス透過係数
多孔質電極基材の厚み方向のガス透過係数は、JIS P8117に準拠し、ガーレー式デンソメーター(熊谷理機工業株式会社製)を使用し、ガス流通部の径が2mmφの冶具(圧縮部面積0.0314cm2)を200mLの気体(空気)が通過する時間を測定し、次式より算出した。
透過係数(mL・mm/cm2/hr/mmAq)=透気度(mL/cm2/hr/mmAq)×試料厚み(mm)
P=PM/PR
P>1であれば、樹脂変更により多孔質電極基材のガス透過係数が増大したことを意味し、P<1であれば逆にガス透過係数が減少したことを意味する。PR値としては、炭素繊維紙Aを用いた場合には比較例1で得られた値を、炭素繊維紙Bを用いた場合には比較例3で得られた値をそれぞれ用いた。
[炭素繊維紙Aの製造方法]
平均繊維径が7μmのポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維の繊維束を切断し、平均繊維長が3mmの短繊維を得た。次にこの短繊維束100質量部を水中で開繊し、十分に分散したところに平均繊維長が3mmのポリビニルアルコール(PVA)の短繊維(商品名:VBP105−1、クラレ株式会社製)25質量部を均一に分散させ、標準角形シートマシン(熊谷理機工業株式会社製)を用いて抄紙を行った。得られた抄紙体を80℃に熱したロール乾燥機で乾燥し、単位面積当たりの質量が28g/m2の炭素繊維紙Aを得た。
続いて、前記中間基材を、窒素ガス雰囲気中バッチ炭素化炉にて2000℃で1時間加熱し、炭素化することで本発明の多孔質電極基材を得た。得られた多孔質電極基材の走査型電子顕微鏡による表面観察写真を図1に示す。
平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維と平均繊維径が4μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維を70:30(質量比)で混合した炭素短繊維を湿式短網連続抄紙装置のスラリータンクで水中に均一に分散して単繊維に解繊し、十分に分散したところに、平均繊維長が3mmのポリビニルアルコール(PVA)の短繊維(商品名:VBP105−1、クラレ株式会社製)と平均繊維長が5mmで1.1dtexのビニロン短繊維(商品名:ユニチカビニロンF、ユニチカ株式会社製)を、炭素短繊維100質量部に対してそれぞれ18質量部、32質量部となるように均一に分散し、ウェブ状にして送り出した。送り出されたウェブを短網板に通し、ドライヤー乾燥後、単位面積当たりの質量が20g/m2、長さ100mの炭素繊維紙Bを得た。
その後、得られた中間基材を、窒素ガス雰囲気中バッチ炭素化炉にて2000℃で1時間加熱し、炭素化することで本発明の多孔質電極基材を得た。
樹脂組成物の組成を、固形分質量比でN:R=0:100としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素繊維紙100質量部に対し85質量部の樹脂固形分を付着させた樹脂含浸紙を得て、さらに実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。得られた多孔質電極基材の走査型電子顕微鏡による表面観察写真を図2に示す。
樹脂組成物の組成を、固形分質量比でN:R=60:40としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素繊維紙100質量部に対し99質量部の樹脂固形分を付着させた樹脂含浸紙を得て、さらに実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。
樹脂組成物の組成を、固形分質量比でN:R=0:100としたこと以外は実施例4と同様にして、炭素繊維紙100質量部に対し73質量部の樹脂固形分を付着させた樹脂含浸紙を得て、さらに実施例4と同様にして多孔質電極基材を得た。
樹脂組成物の組成を、固形分質量比でN:R=90:10としたこと以外は実施例2と同様にして、炭素繊維紙100質量部に対し75質量部の樹脂固形分を付着させた樹脂含浸紙を得て、さらに実施例1と同様にして多孔質電極基材を得た。
レゾール型フェノール樹脂として、60wt%メタノール溶液の見掛け粘度が170mPa・sであるレゾール型フェノール樹脂(商品名:レヂトップPL−2211、群栄化学工業株式会社製)を用いたこと以外は実施例2と同様にして、炭素繊維紙100質量部に対し72質量部の樹脂固形分を付着させた樹脂含浸紙を得て、さらに実施例2と同様にして多孔質電極基材を得た。
本発明によって得られた樹脂炭素化物の亀裂や炭素短繊維との剥離界面が少ない多孔質電極基材は、固体高分子型燃料電池の運転に不可欠な撥水処理を行っても、撥水剤が亀裂・剥離部位に浸透、堆積し導電経路を阻害する可能性が低い。従って、亀裂・剥離部位の多い基材に撥水処理を行った場合に比べ、導電性低下を最小限に抑えられる。
撥水処理後の多孔質電極基材について厚み方向の比抵抗R2を測定し、撥水処理前の比抵抗R1の値(表1に示した値と同一)との差である比抵抗増加量ΔR[Ω・cm]、および比抵抗増加率S[%]を次式により算出した。
比抵抗増加量:ΔR=R2−R1
比抵抗増加率:S=ΔR/R1×100
比較例1で得られた多孔質電極基材を用いたこと以外は実施例5と同様にしてΔRおよびSを算出した。
比較例2で得られた多孔質電極基材を用いたこと以外は実施例5と同様にしてΔRおよびSを算出した。
Claims (3)
- 平面内に分散した炭素短繊維集合体に、環球法で測定した軟化点が75〜95℃であるノボラック型フェノール樹脂Nと、B型粘度計で測定した見掛け粘度が50〜140mPa・sであるレゾール型フェノール樹脂Rの60wt%メタノール溶液を固形分質量比でN:R=80:20〜85:15となるように混合した樹脂組成物を、炭素繊維100質量部に対して樹脂組成物が70〜130質量部になるように含浸して中間基材を得る工程;
前記中間基材を加熱して前記樹脂組成物を炭素化する工程;
を有する多孔質電極基材の製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法で得られた多孔質電極基材を、固形分5〜30重量%のポリテトラフルオロエチレンディスパージョンに浸漬する工程;
さらに乾燥し、ポリテトラフルオロエチレンを多孔質電極基材に焼結させる工程;
を有する多孔質電極基材の製造方法。 - 撥水処理前に対する撥水処理後の厚み方向の比抵抗増加量ΔR[Ω・cm]および比抵抗増加率S[%]が、ΔR≦0.1およびS≦25の関係を満足する、請求項2に記載の撥水処理された多孔質電極基材。
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