JP2015193941A - シート状炭素材料 - Google Patents
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Abstract
Description
〔1〕木材セルロース系シートに有機系スルホン酸を吸収させ、不活性ガス雰囲気中、500℃〜3200℃の温度で炭素化した、平均繊維長0.1mm〜5mm、平均繊維径0.1μm〜40μm、炭素含量80%以上のシート状炭素材料。
〔2〕密度0.2g/cm3〜0.6g/cm3、厚さ100μm〜700μm及び平均孔径5μm〜40μmのうち少なくとも1つを満たす、上記〔1〕に記載のシート状炭素材料。
〔3〕前記木材セルロース系シートが、平均繊維長0.1mm〜8mm、平均繊維径0.1μm〜60μm、密度0.1g/cm3〜0.8g/cm3、厚さ30μm〜1000μm、及び平均孔径2μm〜60μmのうち少なくとも1つを満たす上記〔1〕又は〔2〕に記載のシート状炭素材料。
〔4〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた燃料電池用ガス拡散層。
〔5〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた触媒担体。
〔6〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いたガス吸蔵・吸着材。
〔7〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた吸熱・放熱材。
〔8〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いたろ過材。
〔9〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた複合材料。
〔10〕上記〔4〕に記載のガス拡散層又は上記〔5〕に記載の触媒担体を用いた燃料電池。
〔11〕木材セルロース系シートを、不活性ガス雰囲気中、500℃〜3200℃の熱処理温度で熱処理した、平均繊維長0.1mm〜5mm、平均繊維径0.1μm〜40μm、炭素含量80%以上のシート状炭素材料の製造方法。
国内広葉樹ミックスとアカシアから得られた広葉樹クラフトパルプ(カナダ標準濾水度620ml、長さ加重平均繊維長0.77mm、平均繊維径19μm)に対して、調成工程のミキシングチェストで湿潤紙力剤(星光PMC社、WS4092)を対固形分あたり0.2重量%添加した。得られた紙料を長網多筒式抄紙機にて抄紙し、坪量131g/m2、密度0.50g/cm3、平均孔径9μmの木材パルプシートを得た。
製造例1の木材パルプシートを80×100mm大にカットした後、メタンスルホン酸1.0モル/L水溶液に室温で5分間浸漬した。その後、木材パルプシートを水溶液中から取り出し、室温で24時間自然乾燥して、メタンスルホン酸の吸収量が50重量%(対シート固形分量)であるシートを得た。このシートを2枚の炭素板に挟み、電気炉(卓上真空ガス置換炉KDF75)でアルゴンガス雰囲気下、昇温速度5.2℃/分の速度で室温から800℃まで昇温し、同温度で1時間加熱することにより炭素化した(試験1〜6用の試料)。または、昇温温度を800℃に代えて2600℃とし、加熱時間を1時間に代えて30分としたほかは、同様にして炭素化を行った(試験7用の試料)。炭素化後、電気炉のヒーターをオフにして、室温まで冷却し、シート状炭素材料を取り出した。
ソーダ蒸解法で得られたサイザル麻パルプ(カナダ標準濾水度700ml、長さ加重平均繊維長1.85mm、平均繊維幅20μm)を短網・丸網コンビネーション抄紙機にて抄紙し、坪量139g/m2、密度0.30g/cm3、平均孔径11μmのサイザル麻シート(非木材パルプシート)を得た。このサイザル麻シートを実施例1と同様の手順で炭素化し、シート状炭素材料を得た。
実施例1及び比較例1で得られたシート状炭素材料について、以下の手順で性能評価を実施した結果を表1、2に示した。
シート状炭素材料の平均繊維長及び平均繊維径は、SEMを用いてランダムに選択した50本の繊維の繊維長及び繊維径の平均値として求めた。
<試験2:炭素含量測定>
シート状炭素材料の元素分析により炭素含量を求めた。
Pascal140(Thermo Scientific社)を用いて、測定温度10〜20℃、圧力0.01〜150kPa、接触角141.3°、表面張力480dyne/cmの条件で測定した。
低抵抗率計(Loresta GP)を用いて電導度を測定した。
引張・圧縮試験機(テンシロンRTG−1210)を用いて曲げ強度を測定した。
引張・圧縮試験機(テンシロンRTG−1210)を用いて曲げ弾性率を測定した。
0.03gの白金触媒(石福金属興業(株)製、UNPC20−II)、0.5gのNafion溶液(デュポン社製)、0.03gのエタノールを混合し、超音波撹拌した後、スターラーで2日間撹拌し、インクを調製した。実施例1、比較例2で得たシート状炭素材料にPTFEによる撥水処理を施した後、このインクを各々ロール法で塗布した。これを2枚ずつ用意し、Nafion115膜(デュポン製)を挟んで触媒が膜に接するようにして水素極及び空気極を構成し、135℃、100kg/cm2、3分間の条件でホットプレスすることにより、膜・電極接合体を得た。得られた膜・電極接合体を、特開2011−113768号公報の実施例に記載された方法に準じて燃料電池単セルに組み込み、発電試験を行った(PTFE量及び出力密度を測定)。
炭素化条件:800℃、1時間
炭素化条件:(強度、弾性率)800℃、1時間
(電導度、PTFE量、出力密度)2600℃、30分
Claims (11)
- 木材セルロース系シートに有機系スルホン酸を吸収させ、不活性ガス雰囲気中、500℃〜3200℃の温度で炭素化した、平均繊維長0.1mm〜5mm、平均繊維径0.1μm〜40μm、炭素含量80%以上のシート状炭素材料。
- 密度0.2g/cm3〜0.6g/cm3、厚さ100μm〜700μm及び平均孔径5μm〜40μmのうち少なくとも1つを満たす、請求項1に記載のシート状炭素材料。
- 前記木材セルロース系シートが、平均繊維長0.1mm〜8mm、平均繊維径0.1μm〜60μm、密度0.1g/cm3〜0.8g/cm3、厚さ30μm〜1000μm、及び平均孔径2μm〜60μmのうち少なくとも1つを満たす請求項1又は2に記載のシート状炭素材料。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた燃料電池用ガス拡散層。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた触媒担体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いたガス吸蔵・吸着材。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた吸熱・放熱材。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いたろ過材。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシート状炭素材料を用いた複合材料。
- 請求項4に記載のガス拡散層又は請求項5に記載の触媒担体を用いた燃料電池。
- 木材セルロース系シートを、不活性ガス雰囲気中、500℃〜3200℃の熱処理温度で熱処理した、平均繊維長0.1mm〜5mm、平均繊維径0.1μm〜40μm、炭素含量80%以上のシート状炭素材料の製造方法。
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