JP2012517683A - ガス拡散基材 - Google Patents

Abstract

不織布繊維ウェブ、熱伝導性材料、及び炭素系残渣を含む、ガス拡散基材が、開示され、その熱伝導性材料及び炭素系残渣が、不織布繊維ウェブ内に埋め込まれ、且つ、熱伝導性材料が、１μｍから１００μｍの間の最長寸法を有し、及び、ガス拡散基材が、８０％未満の多孔率を有する。この基材は、リン酸燃料電池で特別に使用される。

Description

発明の分野

本発明は、ガス拡散基材に関し、とりわけ、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）等、燃料電池で使用するガス拡散基材に関する。本発明は、更に、そのようなガス拡散基材を製造する方法に関する。

燃料電池は、電解質により分離されている２つの電極を含む電気化学電池である。水素、アルコール（メタノール又はエタノール等）、または、ギ酸等の燃料が、アノードへ供給され、酸素又は空気等の酸化剤、または、過酸化水素等、別の酸化剤が、カソードへ供給される。電気化学反応が電極で生じ、燃料及び酸化剤の化学エネルギーが、電気エネルギー及び熱に変換される。電解触媒（電気化学触媒）が、アノードで燃料の電気化学的酸化、及び、カソードで酸化剤の電気化学的還元を促進するために、使用される。

燃料電池は、使用される電解質の特質に応じて、通常分類される。ＰＡＦＣにおいて、セルが、アノードとカソード電極の間に差し込まれた薄い不活性基質層に含有されたリン酸電解質から製造される。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において、電解質層は、通常、電極層の間に配置された薄いプロトン導電性高分子である。これらのセルのいずれかは、純粋な水素燃料、または、炭化水素燃料の改質により形成された希釈水素含有の燃料混合物で作動し、、または、とりわけＰＥＭＦＣの場合、メタノール又はエタノール等、炭化水素燃料で、直接作動する。

ＰＡＦＣ及びＰＥＭＦＣの電極は、通常、ガス多孔体、導電性及び化学的不活性ガス拡散基材（ＧＤＳ）と、及び電解触媒層を備えてなるものであり、この電解触媒層は電解触媒を含んでなるものであり、電解質又は膜に直面し及び接触するものである。この基材が、電解触媒層に対して、機械的サポートを提供し、バルク流路からの反応物質の水素及び酸素種の拡散を、電解触媒層内の反応部位まで可能にさせる。この基材はまた、電解触媒層内で形成された生成水を、バルク流路に効果的に排出することを可能にし、且つ、セルを介して、熱及び電子移動を付与する。

いかなるＧＤＳの特定の構造設計が、作動される燃料電池のタイプ及び条件に大きく依存している。しかし、現在のＰＡＦＣ及びＰＥＭＦＣで使用される大部分の基材の基本構造は、樹脂結合された炭素繊維紙基材技術に基づく。ＷＯ２００８／０５１２８０Ａ２に示されるように、これらの基材を製造する基本プロセスは、通常、（ｉ）製紙等、ウエットレイプロセスから炭素繊維の不織布ウェブを形成し、（ii）そのウェブに熱硬化性フェノール樹脂を含浸し、（iii）その樹脂を硬化するのに十分な温度で、そのウェブの一以上の層に圧力を掛け、（iv）その樹脂を炭素処理するために、最高１０００℃までの温度で、不活性雰囲気において、熱処理し、及び（ｖ）その炭素を部分的に黒鉛化するために、不活性雰囲気中、２０００℃と３０００℃の間の温度で、熱処理することを含んでなるものであり、これによって、電気的及び熱伝導性、且つ、耐腐食性を改善する。

このガス拡散基材の構造が、民間の基材開発者等により開発され、且つ、ＰＡＦＣ発電所製造において、重要な構成要素として使用されている。これらの実用的燃料電池システムにおいて、反応物質がガスを供給し及び流れを作るセパレータプレートと共に、アノード、電解質及びカソードを備えてなる、一連の基本セルが、一緒に組み立てられ、適切なスタック電圧、電流、及び出力が得られることが可能なセルのスタックを形成する。「ＩＳＢＮ：０−４７１−４９９２６−９、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄが２００３年に出版した燃料電池の手引書、第４巻、パート２の５９章、７９７−８１０」で示されるように、米国特許第４，８５１，３０４号で開示されているように、Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．によって製造されるタイプの基材が、１９９０年代初期からＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＵＴＣ）により製造された２００ｋＷ ＰＣ−２５ ＰＡＦＣ発電所で使用された。米国特許第４，８５１，３０４号において、実質的に二次元面内のランダム方向に分散された短炭素繊維、及び、その繊維を互いに結合する炭化樹脂を備えた、燃料電池用の多孔性電極基材が開示されている。炭素繊維は、直径４μｍ〜９μｍ、及び、長さ３ｍｍ〜２０ｍｍを有し、炭化樹脂の含有量は、全基材の３５重量％〜６０重量％である。

複数のＰＡＦＣ発電所の評価について、Ｔｈｅ Ｔｏｋｙｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．により出版されたレポートにおいて（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ、Ｖｏｌ．４９、１９９４年、ページ７７−１０２）、これらのタイプの燃料電池発電所の実用化を更に改善するために、いくつかのセル改善が必要であることを示している。熱伝導性が、ＧＤＳの重要な特徴として言及され、且つ、このことは、電極反応において発生される熱を効果的に除去するため、できるだけ高い必要があることが言及される。その熱除去の効率が良ければよいほど、スタックアセンブリにおいて必要な冷却プレートの数が少なくなり、且つ、スタックの高さとコストが少なくなる。

不織布炭素繊維ウェブを製造するために使用される典型的な炭素繊維は、熱処理されたポリアクリロニトリルに基づき、且つ、ＰＡＮ系炭素繊維として知られる。米国特許第７，４２９，４２９Ｂ２号が、長繊維ＰＡＮから製造される基材が、１．２Ｗ／ｍ．Ｋ．の熱伝導性を有することを開示している。熱伝導性が、ＰＡＮ系炭素繊維よりむしろ、ピッチ系炭素繊維を使用することにより、または、短ミルドファイバーを使用することにより（０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍ）、または、基材製造プロセスにおける最終熱処理温度を上昇することにより、増大する。短ミルドファイバー及びピッチ系炭素繊維を使用し、且つ、３０００℃まで熱処理する際、達成される熱伝導性が、約４．４Ｗ／ｍ．Ｋ．であることを、データが示している。２１００℃の低温度で熱処理された同じ材料は、１／２．５倍の低い熱伝導性を有し、わずか約１．７５Ｗ／ｍ．Ｋ．である。

従って、本発明の目的は、ガス拡散基材を提供すること、とりわけ、最新の基材より改善された熱伝導性を有するリン酸燃料電池で使用するのに好適なガス拡散基材を提供することである。とりわけ、本発明の目的は、１０００ｋＰａの圧力で、３Ｗ／ｍ．ｋの最小面内（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｐｌａｎｅ：スループラン：スルー平面）熱伝導性、及び、望ましくは、最新の材料に対して必要とされるより低温で熱処理される際、１０００ｋＰａの圧力で４Ｗ／ｍ．ｋの最小面内熱伝導性を有するガス拡散基材を提供することである。

従って、本発明の第一態様は、不織布繊維ウェブ、熱伝導性材料、及び炭素系(質)残渣を含むガス拡散基材を提供し、熱伝導性材料及び炭素系残渣が、不織布繊維ウェブ内に埋め込まれ、且つ、この熱伝導性材料が、１μｍと１００μｍの間の最長寸法を有し、及びガス拡散基材が、多孔率８０％未満、好適には７５％未満を有する。

本質的に球形である材料にとって、「最長寸法」は、その球体の直径である。球体ではない材料にとって、「最長寸法」は、最も長い軸の寸法である。好適には、熱伝電性粒子の最長寸法は、６μｍと１００μｍの間で、望ましくは、１０μｍと１００μｍの間である。熱伝導性材料の最長寸法が、様々な大きさを覆ってもよいことが、当業者によって評価されるだろう。ガス拡散基材において、熱伝導性材料の少なくとも５０％、好適には少なくとも７０％、及び望ましくは、少なくとも９０％が、１μｍと１００μｍの間の最長寸法を有する場合、本発明の範囲内である。

用語「熱伝導性材料」は、その材料が、物理的性質において、異方性である場合、少なくとも一つの方向に、高い固有の熱伝導性を有し、且つ、最終基材において、好ましい効果的な熱伝導性を与えるために、不織布ウェブに埋め込むことができる材料を意味する。そのような熱伝導性材料の例は、
（ｉ）粒子、例えば、Ｂｒａｎｗｅｌｌ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｌｔｄから入手可能なＶＳＧＡ５またはＴｉｍｃａｌ Ｇｒａｐｈｉｔｅ＆Ｃａｒｂｏｎから入手可能なＴｉｍｒｅｘ ＳＦＧ６等、グラファイト（天然又は合成のいずれか）。好適には、粒子が、６−１００μｍ、及び、望ましくは１０−１００μｍのｄ９０を有する。ｄ９０の測定は、その粒子の９０％が、そのｄ９０値未満の直径を有することを意味し、例えば、６μｍのｄ９０は、粒子の９０％が６μｍ未満の直径を有することを意味する。
（ii）繊維状又はチューブ状材料、例えば、Ｐｙｒｏｇｒａｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＰｙｒｏｇｒａｆIII炭素繊維、またはＳｈｏｗａ Ｄｅｎｋｏ Ｋ．Ｋ．から入手可能なＶＧＣＦ−Ｈ等、ナノファイバー及びナノチューブ。好適には、繊維状又はチューブ状材料は、１μｍ、好適には６μｍ、及び、望ましくは１０μｍの最小長を有し、且つ、５ｎｍ〜１μｍ、望ましくは５０−５００ｎｍの直径を有する。
（iii）ディスク型材料、例えば、Ａｎｇｓｔｒｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣ．から入手可能なＮ００８−１００−０５またはＮ００６−０１０−００等、ナノグラフェン血小板。好適には、ディスク型材料は、４０μｍ未満のディスクを横切った直径（ｘ／ｙ方向）、及び、１００ｎｍ未満のディスクを貫通した厚さ（ｚ−方向）を有する。
（iv）カーボンブラック等、熱伝導性カーボンのいかなる他の形態、及びハイパーフラーレン、ピッチ系カーボン形態等、それらのいかなる熱処理された型を含む。

最も好適には、熱伝電性材料が粒子、望ましくはグラファイト（天然又は人工のいずれか）である。

一の態様において、熱伝電性粒子がまた、導電性であることがまた望ましい。

ガス拡散基材における炭素系残渣は、窒素または二酸化炭素または別の不活性ガス等、好適な非酸化性ガス雰囲気中で、６００℃〜１０００℃の温度で、炭化結合剤を熱処理することにより得られる。例えば、炭化結合剤は、フェノール樹脂、または、ピッチ系樹脂またはポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）等、他の高収率炭化樹脂である。好適な結合剤の例は、Ｂｏｒｄｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｃ．から入手可能なＳＣ−１００８、Ｄｏｗｅｌｌ Ｔｒａｄｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄから入手可能なフェノールノボラック及びレゾール樹脂を含む。最終基材において、結合剤が炭化され、従って、その基材が、炭化結合剤の炭素系残渣を含む。

熱伝導性材料：炭素系残渣の比率は、１：９９から７５：２５まで、好適には５：９５から６０：４０まで、望ましくは１０：９０から３０：７０までである。

熱伝導性材料及び炭素系残渣は、不織布繊維ウェブの重量と比べて、５−７００％、適切には１５−１５０％、及び望ましくは３０−９０％の結合された重量で、基材中に存在する。

その基材が、好適に製造される不織布繊維ウェブは、炭素繊維（ＳＧＬグループから入手可能なＳＩＧＲＡＦＩＬ Ｃグレード、Ｔｏｈｏ Ｔｅｎａｘから入手可能なＴｅｎａｘグレード（例：１４０、１４３及び１５０）等のポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維から得られる炭素繊維）、ピッチ繊維（Ｔｈｏｒｎｅｌ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐｉｔｃｈ系炭素繊維及びＣｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．から入手可能なＴｈｅｒｍａｌｇｒａｐｈ繊維）、レーヨン繊維、またはいかなる別の高分子前駆体から得られる繊維、活性炭繊維（Ｔａｉｗａｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄから入手可能なＫＯＴＨｍｅｘ ＡＣＦ及びＫｙｎｏｌ Ｅｕｒｏｐａ ＧｍｂＨから入手可能なＡＣＦ１６０３−１５及び１６０３−２０）、カーボンナノ繊維、ピッチ系フォーム繊維、またはこれら一以上の混合物を含む。好適には、この不織布繊維ウェブは、炭素繊維またはカーボンナノ繊維を含む。

この不織布繊維ウェブが好適に製造される繊維は、５ｎｍ〜１２μｍの直径を有し、その繊維がナノ繊維である場合、好適には、直径が５ｎｍ〜１μｍ、望ましくは、５０〜５００ｎｍである。その他全ての繊維に対して、好適には、直径が、１μｍ〜１２μｍ、望ましくは５μｍ〜９μｍである。

不織布繊維ウェブが製造される繊維の繊維長は、使用される繊維のタイプ次第である。ナノ繊維に関して、その長さは、好適には、１０ｎｍ〜１０μｍ、望ましくは１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、その他全ての繊維のタイプに関して、その長さは、好適には、２ｍｍ〜１００ｍｍ、より好適には、３ｍｍ〜５０ｍｍ、より好適には、３ｍｍ〜２５ｍｍ、望ましくは、６ｍｍ〜１８ｍｍ、及び最も望ましくは６ｍｍ〜１２ｍｍである。二以上の異なる長さまたは異なるタイプの繊維が、同じウェブで使用されてもよい。

不織布繊維ウェブが、好適には、１０〜５００ｇｓｍ、適切には５０〜１００ｇｓｍ、望ましくは７０〜８５ｇｓｍの重量を有する。炭化結合剤に含浸する前に、不織布繊維ウェブは、高分子接着剤または別の熱的分解可能な結合剤と共に結合される。好適な結合剤の例は、Ｕｎｉｔｉｋａ Ｋａｓｅｉ ＬｔｄによるＭｅｗｌｏｎ ＳＭＬ及びＫｕｒａｒａｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．から入手可能なＦｉｂｒｉｂｏｎｄ ＶＰＢ１０７−１等、ポリビニアルコール（ＰＶＡ）繊維、Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＷＤ−３０ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｂｌｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ（３０％固体）等、ポリエステル水性分散、ＢＡＳＦから入手可能なＡｃｒｏｎａｌ Ｓ６０５、５００Ｄ又は２０５Ｄ等、スチレン／アクリル水性システム、または、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ＩＳＰ）から入手可能なＫ−１５等、水中ポリビニルピロリドン溶液を含む。高分子結合剤は、基材の製造の間、不織布繊維ウェブから除去され、従って、最終製品の中に、存在しない。その不織布繊維ウェブは、上記に記載された繊維を含む、プレフォームマットとして得られてもよい。そのようなプレフォームマットの例は、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｌｔｄから入手可能なＯｐｔｉｍａｔ一連の製品、または、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ、及び、Ｖｏｓｅから入手可能なＡＦＮ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ一連の製品を含む。別の方法として、個々の繊維が調達され、且つ、当業者にとって既知の技術により不織布繊維ウェブが製造されてもよい。そのような技術は、ウエットレイ製紙方法、ハイドロエンタングルメント又は乾性沈着プロセス等の方法を含む。

本発明のガス拡散基材が、本質的に、等方性又は異方性のいずれかでもよいが、好適には、本質的に等方性である。「本質的に等方性」という用語は、不織布繊維ウェブのｘ−ｙ方向性が、引張強度及び表面抵抗力に関して、互いの１５％以内、望ましくは、互いの１０％以内でバランスがとられることを意味する。異方性構造は、引張強度に対するｘ−ｙ方向性が、５００：１（ＭＤ：ＣＤ）で、且つ、表面抵抗力に対しては、１００：１（ＭＤ：ＣＤ）（ＭＤ＝機械方向及びＣＤ＝横方向で、且つ、その機械方向に対して垂直である）である材料を生じる。引張強度及び表面抵抗力を測定するための技術は、当業者にとって既知である。引張強度は、テストＡＳＴＭ Ｄ６８またはＩＳＯ５２７を使用して測定され、表面抵抗力は、テストＡＳＴＭ Ｄ２５７−９９を使用して測定される。

本発明のガス基材は、ガス拡散基材を必要とするいかなる電気化学デバイスにおいて、電極として使用されてもよい。従って、本発明のさらなる態様が、本発明のガス拡散基材、及びそのガス拡散基材に付与される電解触媒を含むガス拡散電極を、提供する。ガス拡散基材が、ガス拡散電極に埋め込む前にさらなる処理が提供されてもよく、それにより、より可溶性（親水性）に、又はより防水性（疎水性）になる。いかなる処理の特質は、使用される燃料電池のタイプ及び作動条件次第である。その基材は、液体懸濁液から含浸を介して、非晶質カーボンブラック等の材料の埋め込みによって、より可溶性になる、または、この基材の細孔構造を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリフルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）等の高分子のコロイド懸濁液に含浸し、続いて、乾燥及び高分子の軟化点以上に加熱することにより、より疎水性になる。ＰＥＭＦＣ等の一部の適用に対する、細孔層又は基準層と一般に呼ばれる追加の炭素層が、電解触媒層の配置前に、付与されてもよい。本発明の基材はまた、セルに適しており、その触媒層が、電気的にアノード及びカソード電極を分離し、且つ、電解質として機能を果たす、膜又は別のセパレーター上に配置される。

適切な電解触媒は、
（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウム）、
（ii）金又は銀、
（iii）卑金属、
または、これらの金属の一種以上又はそれらの酸化物を含む合金または混合物から選択される。この金属、合金又は金属の混合物は、微粒炭素等、好適な担体上に、非担持又は担持されてもよい。任意の電気化学デバイス用の最も好適な電解触媒は、当業者に良く知られている。

本発明の電極は、燃料電池、例えば、リン酸燃料電池で直接使用されてもよく、その電解質は、炭化ケイ素等、担持マトリクス中の液体リン酸である。

別の方法として、本発明の基材又は電極が、プロトン交換膜燃料電池の使用のため、膜電極アセンブリに埋め込まれてもよい。従って、本発明の更なる態様が、本発明の基材及び触媒被覆プロトン交換膜を含む膜電極アセンブリを提供し、その基材は、膜の上の被覆触媒に隣接している。本発明の別の態様において、本発明の電極及びプロトン交換膜を含む膜電極アセンブリが提供され、電極上の触媒層が、その膜に隣接している。

本発明の基材、電極及び膜電極アセンブリが使用されてもよい電気化学デバイスは、燃料電池、とりわけ、リン酸及びプロトン交換膜燃料電池を含む。従って、本発明のさらなる態様は、本発明の基材、電極または膜電極アセンブリを含む燃料電池を提供する。一の望ましい実施態様において、燃料電池は、本発明の基材または電極を含むリン酸燃料電池である。第二の実施態様において、燃料電池は、本発明の基材、電極または膜電極アセンブリを含むプロトン交換膜燃料電池である。

本発明の更なる態様が、本発明のガス拡散基材を製造する方法を提供し、その方法は、
（ｉ）不織布繊維ウェブを熱伝導性粒子及び炭化結合剤の混合物に含浸させ、含浸ウェブを調製し、
（ii）１００℃〜２５０℃の温度で、不織布繊維ウェブ内で、炭化結合剤を硬化し、
（iii）６００℃〜１０００℃で、好適には７００℃〜９００℃、及び望ましくは約８００℃での含浸ウェブの第一熱処理工程により、炭化結合剤を炭化し、炭素系残渣を残存し、及び、
（iv）１８００℃〜３０００℃、好適には１８００℃〜２５００℃、及び望ましくは約２０００℃〜２３００℃での第二熱処理工程により、ガス拡散基材を得てなることを含んでなるものである。

上記で付与される温度は、近似温度で、且つ、それらの±５０℃以内の温度が、本発明の範囲内に含まれる。工程（ii）で要される温度は、使用される特別な炭化結合剤に依存する。

工程（ｉ）の含浸方法は、水平又は垂直含浸等、当業者に既知のいかなる技術により、実施されてもよい。

任意で、第一熱処理工程（工程（iii））の前に、二以上の含浸不織布繊維ウェブが、様々な圧力で、１５０℃〜１６０℃の間の温度で、クロスプライ又は非クロスプライのいずれかで積層され、０．０５ｍｍ〜１０ｍｍ、好適には０．１０ｍｍ〜０．８０ｍｍ、及び望ましくは０．２０ｍｍ〜０．６５ｍｍである総厚を有する。次に、その積層板は、上記で示されるように、熱処理工程（iii）及び（iv）に付されることとなる。

ここで、実施例を参照して、本発明を更に説明するが、この実施例は、本発明を例証するものであって、本願発明の範囲を制限するものではない。

１０％ポリビニルアルコール結合剤（Ｍｅｗｌｏｎ ＳＭＬ）で結合された８３ｇｓｍの等方性炭素繊維が、フェノール樹脂（Ｂｏｒｄｅｎ ＳＣ−１００８）及びグラファイト粒子（ＶＳＧＡ５ ９９．９；１３μｍのｄ９０）で含浸し、２０１ｇｓｍ（６％揮発量を含む）の総合重量を有してなり、追加重量の２６％がグラファイト粒子であった。適切な圧力で、１５０〜１６０℃で２枚の非交差積層を一緒に圧力を掛けた後、０．６０〜０．６５ｍｍの積層板の厚さを与え、その積層板が、熱処理の間、圧縮下で（０．２２１ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で）、特有の勾配率／冷却状態で、９００℃、続いて、２５００℃で熱処理した。二−電極構造を使用しながら、様々な圧力に関して、面内電気抵抗力及び面内熱伝導性（ＮＥＴＺＣＨモデルＬＦＡ４４７ＮａｎｏＦｌａｓｈ拡散装置を使用して）を測定し、及び、その結果が、下記表１（電気抵抗力）及び表２（熱伝導性）に示した。基材の多孔性が、水銀ポロシメトリーを使用して測定され、約７０％になることが見出された。

比較例１

１０％ポリビニルアルコール結合剤（Ｍｅｗｌｏｎ ＳＭＬ）で結合された８３ｇｓｍの等方性炭素繊維を、フェノール樹脂（Ｂｏｒｄｅｎ ＳＣ−１００８）に含浸し、２０１ｇｓｍ（６％揮発量を含む）の重量を与えた。適切な圧力で、１５０〜１６０℃で、２枚の非交差積層を一緒に圧力を掛けた後、０．６０〜０．６５ｍｍの積層板の厚さを与え、その積層板が、熱処理の間、圧縮下で（０．２２１ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で）、特有の勾配率／冷却状態で、９００℃、続いて、２８００℃で熱処理した。様々な圧力に関して、面内電気抵抗力及び面内熱伝導性を測定し、及び、その結果を、下記表１（電気抵抗力）及び表２（熱伝導性）に示した。基材の多孔性が、水銀ポロシメトリーを使用して測定され、約７０．５％になることが見出した。

電気抵抗力及び熱伝導性のデータセットの両方は、技術的性能において著しい改善が、比較例１と比べて、実施例１において達成されることを示す。様々な圧力に関して、電気抵抗力及び熱伝導性の両方の性能が、特定の大きさのグラファイト粒子の包含を介して、改善される。（熱伝導性の上昇及び電気抵抗力の低下）更に、比較例１の熱伝導性が、基材が２８００℃の高温で熱処理された後、２．５９Ｗ／ｍ．ｋとして測定され、一方で、本発明の実施例１は、２５００℃の若干低温で熱処理されながら、４．４７Ｗ／ｍ．ｋとずっと高く且つ望ましい熱伝導性を達成した。高い熱伝導性を実現する技術的な利点に加え、必須の低熱処理温度が、低コストで製造できる基材を提供できる。

Claims (16)

1. ガス拡散基材であって、
   不織布繊維ウェブと、熱伝導性材料と、及び、炭素系残渣を含んでなり、
   前記熱伝導性材料及び炭素系残渣が、不織布繊維ウェブ内に埋め込まれてなり、
   前記熱伝導性材料が、１μｍから１００μｍの間の最長寸法を有してなり、及び、
   前記ガス拡散基材が、８０％未満の多孔率を有してなるものである、ガス拡散基材。
2. 前記熱伝導性材料が、６〜１００μｍのｄ９０を有する粒子である、請求項１に記載されたガス拡散基材。
3. 前記粒子が、（天然又は人工）グラファイトである、請求項２に記載されたガス拡散基材。
4. 前記熱伝導性材料が、繊維状材料又はチューブ状材料、ディスク型材料、または、熱伝導性カーボンの他の形状からなる群から選択されてなる、請求項１に記載されたガス拡散基材。
5. 前記炭素系残渣が、炭化結合剤から得られてなる、請求項１〜４の何れか一項に記載されたガス拡散基材。
6. 前記炭化結合剤が、フェノール結合剤、ピッチ系樹脂、または、他の高収率炭化樹脂を含んでなる、請求項５に記載されたガス拡散基材。
7. 熱伝導性材料：炭素系残渣の比が、１：９９〜７５：２５である、請求項１〜６の何れか一項に記載されたガス拡散基材。
8. 前記熱伝導性材料及び炭素系残渣が、前記不織布繊維ウェブの重量と比べて、５〜７００％の結合重量で、前記基材中に存在してなる、請求項１〜７の何れか一項に記載されたガス拡散基材。
9. 前記基材の面内熱伝導性が、１０００ｋＰａの圧力で、少なくとも３Ｗ／ｍ．ｋである、請求項１〜８の何れか一項に記載されたガス拡散基材。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載されたガス拡散基材を製造する方法であって、
    前記方法が、
    （ｉ）不織布繊維ウェブを、熱伝導性材料及び炭化結合剤の混合物に含浸させ、含浸ウェブを得てなり、
    （ii）１００℃〜２５０℃の温度で、前記不織布繊維ウェブ内で、前記炭化結合剤を硬化し、
    （iii）６００℃〜１０００℃で、工程前記炭化結合剤を炭化し、炭素系残渣を残存する、前記含浸ウェブの第一熱処理工程をし、及び、
    （iv）１８００℃〜３０００℃で工程、前記ガス拡散基材の第二熱処理工程を行うことを含んでなる、工程製造方法。
11. 工程（iii）の前に、２以上の含浸された不織布繊維ウェブを積層してなることを含んでなる、請求項１０に記載された方法。
12. 請求項１〜９の何れか一項に記載されたガス拡散基材と、及び、前記ガス拡散基材に付与された電解触媒とを備えてなる、ガス拡散電極。
13. 請求項１〜９の何れか一項に記載された基材、及び、触媒被覆プロトン交換膜とを備えてなる、膜電極アセンブリ。
14. 請求項１２に記載された電極と、及び、プロトン交換膜とを備えてなる、膜電極アセンブリ。
15. 請求項１〜９の何れか一項に記載された基材と、請求項１２に記載された電極と、又は請求項１３又は１４に記載された膜電極アセンブリとを備えてなる、燃料電池。
16. 請求項１〜９の何れか一項に記載された基材、又は請求項１２に記載された電極を備えてなる、リン酸燃料電池。