JP6660174B2 - 電極の製造方法、及び膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態の電極10は、図1に示すように、導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シート1と、複数の空隙を有するフィルタ層2とを備える。そして、黒鉛シート1の一方の面1aには、フィルタ層2が接触するように積層されている。
黒鉛からなる黒鉛シート1は、高い耐食性を有し、かつ、電気抵抗率が金属材料と同等であるため、電極の耐久性と導電性を両立することが可能となる。また、黒鉛シート1は、酸素が透過する細孔が多数存在する多孔質体であるため、後述するように、フィルタ層2に効率よく酸素を供給することができる。
本実施形態の電極10は、黒鉛シート1に加え、電極内部に微生物の侵入を防ぐフィルタ層2を備えている。
本実施形態の電極は、上述のように、少なくとも黒鉛シート1とフィルタ層2とを備えている。ただ、黒鉛シート1の機械的強度を向上させ、さらに止水性能を付与するために、本実施形態の電極は撥水層3を備えていることが好ましい。撥水層3は、酸素を含む気相4と、廃水槽の内部に保持された、液相としての被処理液80とを分離するように配置される。ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。これにより、被処理液80中の有機物や窒素含有化合物が後述する気相4側に移動することを抑制できる。
次に、本実施形態に係る膜電極接合体について説明する。本実施形態の膜電極接合体50は、導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シート1と、黒鉛シート1に積層され、複数の空隙を有するフィルタ層2とを備える電極10を備えている。さらに膜電極接合体50は、フィルタ層2における黒鉛シート1側の面2aとは反対側の面2bに、水素イオンを透過するイオン移動層20を積層している。
次に、本実施形態に係る微生物燃料電池について説明する。本実施形態の微生物燃料電池200は、図6及び図7に示すように、微生物を担持する負極30と、水素イオンを透過するイオン移動層20と、イオン移動層20を介して負極30と隔てられた、上述の電極10からなる正極40とを備える。そして、微生物燃料電池200では、イオン移動層20の一方の面20aに負極30が接触するように配置されており、イオン移動層20の面20aと反対側の面20bに正極40が接触するように配置されている。
次に、本実施形態に係る電極の製造方法について説明する。当該電極の製造方法は、導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シート1の一方の面に、溶媒と炭素材料とを含むペーストを積層することにより、積層シートを得る積層工程を有する。さらに当該積層工程の後に、積層シートを積層方向にプレスすることで溶媒を取り除き、黒鉛シート1の一方の面にフィルタ層2を形成するプレス工程を有する。
まず、粉末状のカーボンブラック0.35g、PTFE分散液0.35ml、イオン交換水2mlを混合し、ペーストを作製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックECP600JDを使用した。また、PTFE分散液としては、Aldrich製60wt% dispersion in H2Oを使用した。なお、カーボンブラックの半分は、酸素還元能を高めた触媒作用を有した炭素系材料を使用した。
まず、実施例1と同様に、粉末状のカーボンブラック1.4g、PTFE分散液1.4ml、イオン交換水8mlを混合し、ペーストを作製した。なお、カーボンブラックの半分は、酸素還元能を高めた触媒作用を有したものを使用した。
まず、実施例1と同様に、粉末状のカーボンブラック0.35g、PTFE分散液0.35ml、イオン交換水2mlを混合し、ペーストを作製した。なお、カーボンブラックの半分は、酸素還元能を高めた触媒作用を有したものを使用した。
まず、実施例1で使用した、酸素還元能を高めた触媒作用を有したカーボンブラック0.125g、PTFE分散液0.0125ml、イオン交換水1.25mlを混合し、インクを作製した。次に、実施例1と同様に、4.5cm×6.5cmのサイズの黒鉛シート/シリコーン接着剤/撥水シートからなる積層シートを作製した。
(電気化学評価)
リニアスイープボルタンメトリーにより、実施例1及び比較例1の膜電極接合体の電気化学特性を評価した。具体的には、まず実施例1及び比較例1の膜電極接合体からイオン移動層としてのポリオレフィン不織布を剥がし、正極のみとした。つまり、表面のポリオレフィン不織布が存在すると、正確な酸素還元特性が測定できないため、測定直前にポリオレフィン不織布を剥がして評価を行った。
実施例1及び比較例1の膜電極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察した。実施例1の膜電極接合体の観察結果を図10に示し、比較例1の膜電極接合体の観察結果を図11に示す。なお、図10及び図11では、イオン移動層としてのポリオレフィン不織布を剥がしたものを示した。
実施例2で得られた膜電極接合体及び比較例2で得られた正極を用いて微生物燃料電池を作製して40日間運転させ、それぞれの燃料電池の出力特性の変化を調べた。
2 フィルタ層
3 撥水層
10,10A 電極
20 イオン移動層
50,50A 膜電極接合体
Claims (5)
- 導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シートと、前記黒鉛シートの一方の面に積層され、複数の空隙を有し、被処理液から前記黒鉛シートへ微生物の移動を防ぐフィルタ層とを備える、微生物燃料電池用電極の製造方法であって、
前記黒鉛シートの一方の面に、溶媒と、炭素材料と、前記炭素材料の粒子同士を結着して多孔質体を形成するための結着剤と、を含むペーストを積層することにより、積層シートを得る積層工程と、
前記積層シートを積層方向にプレスすることで前記溶媒を取り除き、前記黒鉛シートの一方の面に前記フィルタ層を形成するプレス工程と、
を有する、微生物燃料電池用電極の製造方法。 - 前記積層工程は、前記黒鉛シートの他方の面に、酸素透過性を有する撥水層を積層する工程をさらに含み、
前記プレス工程において、前記黒鉛シートと前記撥水層とを接合する、請求項1に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。 - 前記積層工程において、前記黒鉛シートの他方の面に、酸素透過性を有する撥水層が予め接合されている、請求項1に記載の微生物燃料電池用電極の製造方法。
- 導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シートと、前記黒鉛シートの一方の面に積層され、複数の空隙を有し、被処理液から前記黒鉛シートへ微生物の移動を防ぐフィルタ層とを備える電極と、
前記フィルタ層における前記黒鉛シート側の面とは反対側の面に積層され、プロトン透過性を有するイオン移動層と、
を備える、微生物燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記黒鉛シートの一方の面に、溶媒と、炭素材料と、前記炭素材料の粒子同士を結着して多孔質体を形成するための結着剤と、を含むペーストを積層し、さらに当該ペーストにおける前記黒鉛シートとは反対側の面に、前記イオン移動層を積層することにより、積層シートを得る積層工程と、
前記積層シートを積層方向にプレスすることで前記溶媒を取り除き、前記黒鉛シートの一方の面に前記フィルタ層を形成するとともに、前記フィルタ層と前記イオン移動層とを接合するプレス工程と、
を有する、微生物燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 - 導電性及び酸素透過性を有する黒鉛シートと、前記黒鉛シートの一方の面に積層され、複数の空隙を有し、被処理液から前記黒鉛シートへ微生物の移動を防ぐフィルタ層とを備える電極と、
前記フィルタ層における前記黒鉛シート側の面とは反対側の面に積層され、プロトン透過性を有するイオン移動層と、
を備える、微生物燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記黒鉛シートの一方の面に、溶媒と、炭素材料と、前記炭素材料の粒子同士を結着して多孔質体を形成するための結着剤と、を含むペーストを積層することにより、第一の積層シートを得る第一の積層工程と、
前記第一の積層シートを積層方向にプレスし、前記ペーストにおける前記黒鉛シートとは反対側の面に平滑面を形成する第一のプレス工程と、
前記平滑面に前記イオン移動層を積層することにより、第二の積層シートを得る第二の積層工程と、
前記第二の積層シートを前記積層方向にプレスすることで前記溶媒を取り除き、前記黒鉛シートの一方の面に前記フィルタ層を形成するとともに、前記フィルタ層と前記イオン移動層とを接合する第二のプレス工程と、
を有する、微生物燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
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