JP6729373B2 - 多孔質炭素電極基材、その製造方法、ガス拡散層、および燃料電池用膜−電極接合体 - Google Patents
多孔質炭素電極基材、その製造方法、ガス拡散層、および燃料電池用膜−電極接合体 Download PDFInfo
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Description
(1) 炭素短繊維が樹脂炭化物で結着された多孔質炭素電極基材であって、
一方の表面(面Aという)から測定した短絡電流の平均値が10mA以下であることを特徴とする、多孔質炭素電極基材。
(2) 炭素短繊維が樹脂炭化物で結着された多孔質炭素電極基材であって、
一方の表面(面Aという)から短絡電流を測定した場合において、90%以上の測定点において短絡電流が10mA以下であることを特徴とする、多孔質炭素電極基材。
(3) 炭素短繊維、及び、残炭率35%(質量基準)以上の樹脂(以下、樹脂Aとする)を含む組成物を加熱して、前記樹脂Aを炭化させる、多孔質炭素電極基材の製造方法であって、前記組成物中の炭素短繊維と樹脂Aの質量比率が、炭素短繊維100質量部に対して樹脂Aが70〜250質量部であることを特徴とする、(1)又は(2)に記載の多孔質炭素電極基材の製造方法
(4) (1)又は(2)に記載の多孔質炭素電極基材の一方の表面に、マイクロポーラス層を有することを特徴とする、ガス拡散層。
(5) (1)又は(2)に記載の多孔質炭素電極基材を含むことを特徴とする、燃料電池用膜−電極接合体。
本発明1の多孔質炭素電極基材は、一方の表面(面Aという)から測定した短絡電流の平均値が10mA以下であることが重要である。そして、本発明2の多孔質炭素電極基材は、面Aから測定した短絡電流の平均値が10mA以下であることが好ましい。
本発明2の多孔質炭素電極基材は、一方の表面(面Aという)から短絡電流を測定した場合に、90%以上の測定点において短絡電流が10mA以下であることが重要である。そして、本発明1の多孔質炭素電極基材は、面Aから短絡電流を測定した場合に、90%以上の測定点において短絡電流が10mA以下であることが好ましい。
多孔質炭素電極基材のかさ密度は0.20〜0.50g/cm3が好ましい。かさ密度は10cm角に切り出したサンプルの質量と厚さから算出する。厚さの測定は、直径5mmφの測定子のダイヤルゲージを用い、測定圧力は0.15MPaとする。多孔質炭素電極基材のかさ密度を0.20〜0.50g/cm3とすることで、炭素短繊維の脱落を抑制し、短絡電流を低く抑えることができ、さらに気体透過性および発電性能を優れた値とすることができる。かさ密度は0.25〜0.40g/cm3がより好ましく、0.25〜0.35g/cm3がさらに好ましい。
東レ(株)製PAN系炭素繊維“トレカ”(登録商標)T300(平均直径:7μm)を短繊維の平均長さ12mmにカットし、水中に分散させて湿式抄紙法により連続的に抄紙した。さらに、バインダーとしてポリビニルアルコールの10質量%水溶液を当該抄紙に塗布して乾燥させ、炭素短繊維の目付が30g/m2の炭素短繊維シートを作製した。ポリビニルアルコールの付着量は、炭素繊維100質量部に対して22質量部であった。
(1)鉄板上に多孔質炭素電極基材を置き、端部を粘着テープで固定した。多孔質炭素電極基材は、樹脂絞り時にグラビアロールと接触した面を上に向けて置いた。
樹脂組成物の混合液を全体から多く取り除いた以外は実施例1と同様にして多孔質炭素電極基材を得た。物性を表1に示す。
樹脂組成物の混合液を全体から多く取り除き、さらに複合シート作成時の乾燥をより高温で行った以外は実施例1と同様にして多孔質炭素電極基材を得た。乾燥をより高温で行ったのは、乾燥時の厚さ方向への樹脂移動を抑制する目的である。物性を表1に示す。
樹脂組成物の混合液を面Yから多く取り除き、さらに複合シート作成時の乾燥をより高温で行った以外は実施例3と同様にして多孔質炭素電極基材を得た。乾燥をより高温で行ったのは、乾燥時の厚さ方向への樹脂移動を抑制する目的である。物性を表1に示す。
抄紙する炭素短繊維の平均長さを6mmとしたこと、炭素短繊維100質量部に対して広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)40質量部を混合して抄紙したこと、抄紙時の炭素短繊維の目付が14g/m2であること、ポリビニルアルコールの付着量が炭素短繊維100質量部に対して33質量部であること、熱硬化性樹脂(不揮発分)/炭素粉末/溶媒=20質量部/3質量部/77質量部の配合比としたこと、含浸した樹脂液を絞る2本のロールが平滑な金属ロールであること、複合シートは炭素短繊維100質量部に対してフェノール樹脂を110質量部としたこと、平板プレスで加圧する際に2枚の複合シートの同じ面を向かい合わせて重ねたこと、成形後の複合シート(成形により2枚の複合シートが接着し1枚になったもの)の厚さが165μmになるように、上下プレス面板の間隔を調整したこと、プレス時の下面に対し通電燃焼を行ったこと以外は実施例1と同様にして、多孔質炭素電極基材を得た。物性を表1に示す。
カレンダー加工と通電燃焼による突き出し毛羽除去処理を行わなかった以外は実施例1〜5と同様にして多孔質炭素電極基材を得た。そして両面について短絡電流の平均値を測定したが、表においては平均値が小さな値を示した側の面の値を記す。具体的には、比較例1〜4はグラビアロールが接する側の面を、比較例5はプレス時の下面について短絡電流を測定した際の値を表に記す。
実施例5の多孔質炭素電極基材を用い、以下の手順でマイクロポーラス層を形成してガス拡散層を製造した。
[材料]
・炭素粉末A:アセチレンブラック:“デンカ ブラック”(登録商標)(電気化学工業(株)製)
・材料B:撥水材:PTFE樹脂の水分散液(“ポリフロン”(登録商標)PTFEディスパージョンD−210C(ダイキン工業(株)製))
・材料C:界面活性剤“TRITON”(登録商標)X−100(ナカライテスク(株)製)
上記の各材料と精製水を分散機を用いて混合し、炭素粉末含有塗液を形成した。この炭素粉末含有塗液をスリットダイコーターを用いて、撥水材を含む多孔質炭素電極基材(実施例5の多孔質炭素電極基材)の一方の表面(通電燃焼を行った側の面)に面状に塗布した後、120℃の温度で10分間、続いて380℃の温度で10分間加熱した。このようにして、撥水材を含む多孔質炭素電極基材上にマイクロポーラス層を形成して、ガス拡散層を作製した。面A側にマイクロポーラス層を設けることで短絡電流を小さくすることができる。
Claims (9)
- 炭素短繊維が樹脂炭化物で結着された、一方の表面(面Aという)突き出した炭素短繊維が燃焼除去されている多孔質炭素電極基材であって、1辺4cmの正方形である多孔質炭素電極基材の面Aの全面を膜厚25μmの高分子電解質膜と重ね、かつ多孔質炭素電極基材の全面を金メッキしたステンレスブロック電極により挟み、多孔質炭素電極基材の全面を1.0MPaの圧力で加圧し、金メッキしたステンレスブロック電極間に1.0Vの直流電圧を印加して電流を測定して、得られた値を短絡電流としたとき、面Aから測定した20サンプルの短絡電流の平均値が10mA以下である、および/または面Aから測定した20サンプルの短絡電流が90%以上の測定点において、すなわち18サンプル以上で10mA以下であることを特徴とする、多孔質炭素電極基材。
- かさ密度が0.20〜0.50g/cm3であることを特徴とする、請求項1に記載の多孔質炭素電極基材。
- 一方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面から、他方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面までの区間において、前記多孔質炭素電極基材を面直方向に3等分して得られる層について、一方の表面に近い層と他方の表面に近い層とで、層の充填率が異なることを特徴とする、請求項1または2に記載の多孔質炭素電極基材。
- 一方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面から、他方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面までの区間において、前記多孔質炭素電極基材を面直方向に3等分して得られる層について、一方の表面に近く層の充填率が最も大きい層を層X、他方の表面に近く層の充填率が層Xよりも小さい層を層Y、層Xと層Yの間に位置する層を層Zとすると、層の充填率が、層X、層Y、層Zの順に小さくなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質炭素電極基材。
- 層Yの充填率を1とした時に、層Xの充填率が1.03以上であり、層Zの充填率が0.97以下である、請求項4に記載の多孔質炭素電極基材。
- 炭素短繊維、及び、残炭率35%(質量基準)以上の樹脂(以下、樹脂Aとする)を含む組成物を加熱して、前記樹脂Aを炭化させる、多孔質炭素電極基材の製造方法であって、
前記組成物中の炭素短繊維と樹脂Aの質量比率が、炭素短繊維100質量部に対して樹脂Aが70〜250質量部であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の多孔質炭素電極基材の製造方法。 - 炭素短繊維、残炭率35%(質量基準)以上の樹脂(以下、樹脂Aとする)、及び炭素粉末を含む組成物を加熱して、前記樹脂Aを炭化させる、多孔質炭素電極基材の製造方法であって、
前記組成物中の樹脂Aと炭素粉末の質量比率が、樹脂A 100質量部に対して炭素粉末が5〜70質量部であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の多孔質炭素電極基材の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の多孔質炭素電極基材の一方の表面に、マイクロポーラス層を有することを特徴とする、ガス拡散層。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の多孔質炭素電極基材を含むことを特徴とする、燃料電池用膜−電極接合体。
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