KR20230163372A - 전극 기재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 도전성을 유지하면서, 높은 배수성과 가스 확산성, 스프링성을 양립시키는 전극 기재(基材)를 제공하는 것에 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극 기재는, 탄소 섬유 시트의 공극(空隙)에 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 충전되어 이루어지는 전극 기재로서, 불소/탄소비(F/C)의, 한쪽 표면에서의 평균값(F/C-1), 두께 방향의 중심면에서의 평균값(F/C-2), 및 다른 쪽 표면에서의 평균값(F/C-3) 중, 최소값(F/Cmin)의 최대값(F/Cmax)에 대한 비(比)가 0.80 이상이며, 또한, 세공(細孔) 직경 분포에 있어서, 세공 직경 0.5μm 이상 120μm 미만의 범위에 존재하는 제1 피크와, 10nm 이상 0.5μm 미만의 범위에 존재하는 제2 피크를 적어도 가지고, 또한 제2 피크의 피크 용적(V2)에 대한 제1 피크의 피크 용적(V1)의 비(V1/V2)가 1.0∼7.0이다.

Description

전극 기재 및 그 제조 방법
본 발명은, 전극 기재(基材) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 이산화탄소를 배출하지 않는 에너지원으로서, 수소를 연료로 하는 연료 전지가 주목받고 있다. 연료 전지는, 수소를 포함하는 연료 가스를 애노드에 공급하고, 산소를 포함하는 산화 가스를 캐소드에 공급하여, 양극(兩極)에서 일어나는 전기화학 반응에 의해 기전력(起電力)을 얻는 일종의 발전 장치이다.
연료 전지 중에서도 특히 범용성이 높은 것으로서, 고체고분자형 연료 전지가 있다. 고체고분자형 연료 전지의 1셀은, 일반적으로, 세퍼레이터, 가스 확산 전극 기재, 촉매층, 전해질막, 촉매층, 가스 확산 전극 기재, 세퍼레이터를, 이 순서로 적층하여 구성된다. 이 중, 가스 확산 전극 기재에는, 세퍼레이터로부터 공급되는 가스를 촉매층에 확산하기 위한 가스 확산성에 더하여, 전기화학 반응에 따라 생성하는 물을 세퍼레이터에 배출하기 위한 배수성, 및 발생한 전류를 인출하기 위한 도전성이 필요하다.
도전성과 배수성을 양립시키기 위하여, 가스 확산 전극 기재에 카본블랙 등의 도전성을 가지는 탄소 미세 분말과 발수성이 높은 불소 수지를 부착시키는 방법을 사용된다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 불소 수지와 탄소 미세 분말을 유리섬유부직포의 한쪽으로부터 도포하고, 핫 프레스에 의해 밀도를 높임으로써, 가스 확산 전극 기재에 배수성과 도전성을 양립하는 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에서는 불소 수지와 탄소 미세 분말을 주성분으로 한 가스 확산 전극 기재에 섬유 길이가 짧은 탄소 섬유를 첨가하고, 도전성을 향상시키고 있다.
일본공개특허 제2010-192350호 공보 국제공개 제2010/050219호
특허문헌 1의 가스 확산 전극 기재는, 가스 확산 전극 기재를 고밀도로 함으로써, 도전성을 높이면서, 휨을 억제하고 있지만, 이 때문에 기재 내의 공극율(空隙率)이 낮아져, 충분한 가스 확산성이 얻어지지 않는다.
특허문헌 2의 가스 확산 전극 기재는, 불소 수지와 탄소 미세 분말을 주성분으로 하고 있고, 기재의 두께 방향의 스프링성이 낮으므로, 전해질막의 치수 변화를 흡수할 수 없고, 전해질막에 과도한 압력이 가해질 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 도전성을 유지하면서, 높은 배수성과 가스 확산성, 스프링성을 양립하는 전극 기재를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전극 기재는, 탄소 섬유 시트의 공극에 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 충전되어 이루어지는 전극 기재로서,
주사형 전자현미경-에너지 분산형 X선 분광 분석에 의해 측정되는 불소/탄소비(F/C)의, 한쪽 표면에서의 평균값(F/C-1), 두께 방향의 중심면에서의 평균값(F/C-2), 및 다른 쪽 표면에서의 평균값(F/C-3) 중, 최소값(F/Cmin)의 최대값(F/Cmax)에 대한 비(比)가 0.80 이상이며,
또한, 수은 압입법에 의해 측정되는 세공(細孔) 직경 분포에 있어서, 세공 직경 0.5μm 이상 120μm 미만의 범위에 존재하는 제1 피크와, 10nm 이상 0.5μm 미만의 범위에 존재하는 제2 피크를 적어도 가지고, 또한 제2 피크의 피크 용적(V2)에 대한 제1 피크의 피크 용적(V1)의 비(V1/V2)가 1.0∼7.0이다.
또한, 본 발명의 전극 기재의 제조 방법은, 탄소 섬유 시트를, 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지하는 침지 공정과,
침지 공정에서 침지한 분산액에 포함되는 불소 수지를 용융시키기 위한 열처리 공정
을 가진다.
본 발명의 전극 기재를 가스 확산 전극에 사용함으로써, 도전성과 배수성, 가스 확산성, 스프링성을 양립할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 전극 기재는 고체고분자형 연료 전지의 가스 확산 전극으로서 특히 바람직하게 사용되므로, 본 명세서에 있어서는, 전극 기재가 특정 태양(態樣)을 가지는 경우의 효과로서, 가스 확산 전극으로서 사용한 경우의 효과를 기재하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「∼」은, 그 상한 및 하한의 경계값을 포함하는 수치 범위를 의미하는 것으로 한다.
<전극 기재>
본 명세서에서의 「탄소 섬유 시트」는, 탄소 섬유로부터 본질적으로 구성되는 네트워크 구조와, 탄소 섬유 사이의 공극으로 이루어지는 다공질 구조를 가지는 구조체이다. 탄소 섬유 시트의 구체예로서는, 탄소 섬유 초지체(抄紙體), 직물, 부직포를 들 수 있다. 그 중에서도, 전해질막의 면 직각 방향의 치수 변화를 흡수하는 특성, 즉 「스프링성」이 우수하므로, 탄소 섬유 시트가 탄소 섬유 초지체인 것이 특히 바람직하다. 여기서, 탄소 섬유 초지체는, 탄소 섬유가 2차원 평면 내에 랜덤으로 분산한 구조체를 나타낸다.
탄소 섬유 초지체는, 탄소 섬유를 액중에 분산시켜 제조하는 습식 초지법이나, 공기중에 분산시켜 제조하는 건식 초지법에 의해 제조할 수 있다. 그 중에서도 생산성이 우수하므로, 습식 초지법이 바람직하게 사용된다. 탄소 섬유 초지체는, 가스 확산 전극 기재의 도전성이나 배수성을 향상시키기 위하여, 탄소 분말이나 유기 섬유를 혼합하여 초지해도 된다. 또한, 형태유지성, 취급성이 향상하기 쉬우므로, 폴리비닐알코올, 폴리아세트산 비닐, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로오스 등의 유기 고분자를 결착제로서 사용하여 초지해도 된다.
탄소 섬유 초지체의 경우로 한정되지 않고, 이와 같이 본 발명에서의 탄소 섬유 시트는 탄소 섬유끼리를 결착하기 위한 결착제를 포함해도 된다. 한편, 본 발명의 전극 기재는, 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유를 결착하는 결착제로서의 열경화성 수지를 포함하지 않는 것이 바람직하고, 결착제가 열가소성 수지만으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 결착제로서 열경화성 수지를 포함하지 않는 것에 의해, 결착제의 번오프 처리를 행한 후에 탄소 섬유를 분리·회수하여 재이용하는 것이 용이하게 되는 이점이 존재한다.
탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계 및 레이온계의 탄소 섬유 등이 있다. 그 중에서도, 기계적 강도가 우수하므로, PAN계 탄소 섬유 또는 피치계 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다.
가장 바람직한 태양인 탄소 섬유 초지체의 경우, 탄소 섬유의 단섬유의 평균 직경(이하, 「탄소 섬유 직경」이라고 함)은, 3∼20μm의 범위 내인 것이 바람직하고, 5∼10μm의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 탄소 섬유 직경이 3μm 이상, 보다 바람직하게는 5μm 이상이면, 공극의 직경이 커지고, 배수성이 양호하게 된다. 한편, 탄소 섬유 직경이 20μm 이하, 보다 바람직하게는 10μm 이하이면, 두께 불균일이 작아져, 후술하는 바람직한 전극 기재의 두께 범위로 제어하는 것이 용이하게 된다. 탄소 섬유 직경은, 주사형 전자현미경 등의 현미경으로 탄소 섬유를 1000배로 확대하여 사진 촬영을 행하고, 무작위로 30개의 단섬유를 선택해서 그 직경을 계측한 평균값에 의해 특정된다.
또한, 탄소 섬유 초지체의 경우, 탄소 섬유 초지체를 구성하는 탄소 섬유의 단섬유의 평균 섬유 길이(이하, 「탄소 섬유 길이」라고 함)는, 5∼20mm의 범위 내인 것이 바람직하고, 5∼15mm의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 탄소 섬유 길이이 5mm 이상이면, 탄소 섬유 초지체가 스프링성, 기계적 강도, 도전성 및 열전도성이 우수하게 되기 쉽다. 한편, 탄소 섬유 길이이 20mm 이하, 보다 바람직하게는 15mm 이하이면, 초지 시의 탄소 섬유의 분산성이 우수하고, 균질한 탄소 섬유 초지체가 얻어기지 쉽다. 탄소 섬유 길이는, 주사형 전자현미경 등의 현미경으로 탄소 섬유를 50배로 확대하여 사진 촬영을 행하고, 무작위로 30개의 단섬유를 선택해서 그 길이를 계측한 평균값에 의해 특정된다.
본 발명의 전극 기재는, 탄소 섬유 시트의 공극에 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 충전되어 이루어지고 또한, 주사형 전자현미경-에너지 분산형 X선 분광 분석(SEM-EDX 분석)에 의해 측정되는 불소/탄소비(F/C)의, 한쪽 표면에서의 평균값(F/C-1)과, 두께 방향의 중심면에서의 평균값(F/C-2)과, 다른 쪽 표면에서의 평균값(F/C-3) 중, 최소값(F/Cmin)의 최대값(F/Cmax)에 대한 비가, 0.80 이상, 보다 바람직하게는 0.85 이상이다. 각 면에서의 F/C의 평균값(F/C-1∼F/C-3)은, 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다. F/C-1∼F/C-3가 상기한 관계를 만족시키는 것은, 본 발명의 전극 기재에 있어서, 탄소 섬유 시트의 공극에, 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 두께 방향으로 거의 균일하게 충전되어 있는 것을 의미하고 있다. 이에 따라, 본 명세서에 있어서는 F/C-1∼F/C-3이 상기한 관계를 만족시키는 것을, 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 두께 방향으로 균일하다고 표현하는 경우가 있다. 불소 수지가 두께 방향으로 균일한 것에 의해, 전극 기재 내에 액수가 체류하기 어려워져, 배수성이 우수한 전극 기재가 된다. 또한, 탄소 미세 분말이 두께 방향으로 균일한 것에 의해, 도전 경로가 전극 기재 내에서 균일하게 형성되고, 도전성이 우수한 전극 기재가 된다. 최소값(F/Cmin)의 최대값(F/Cmax)에 대한 비를 상기한 범위로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 후술하는 본 발명의 전극 기재의 제조 방법과 같이 탄소 섬유 시트를 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지함으로써 불소 수지와 탄소 미세 분말을 동시에 탄소 섬유 시트에 접촉시키는 방법이 있다. 보다 바람직한 방법으로서는, 상기 분산액 중에 있어서, 불소 수지에 대하여 충분한 양의 탄소 미세 분말을 존재시키는 방법을 예로 들 수 있다.
불소 수지로서는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 4불화 에틸렌 6불화 프로필렌 공중합체(FEP), 퍼플루오로알콕시 불소 수지(PFA), 에틸렌 4불화 에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리불화 비닐리덴(PVDF), 폴리불화 비닐(PVF)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 수지가 사용되고, 그 중에서도 강한 발수성을 발현하는 PTFE, 혹은 FEP가 바람직하다.
본 발명의 전극 기재에 있어서, 불소 수지의 함유량은, 10중량% 이상인 것이 바람직하고, 15중량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 불소 수지의 함유량을 10중량% 이상, 보다 바람직하게는 15중량% 이상으로 함으로써, 전극 기재의 기계적 강도를 유지하고, 높은 배수성을 가짐으로써 저온의 고전류 밀도 영역에서 우수한 발전 성능을 발휘할 수 있다. 한편, 불소 수지의 함유량은, 40중량% 이하, 바람직하게는 30중량% 이하인 것이 바람직하다. 불소 수지의 함유량을 40중량% 이하, 바람직하게는 30중량% 이하로 함으로써, 전극 기재의 도전 저항을 낮게 유지할 수 있고, 보다우수한 발전 성능을 발휘한다.
탄소 미세 분말로서는, 퍼니스 블랙, 아세틸렌 블랙, 램프 블랙 및 서멀 블랙 등의 카본 블랙을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 직경 10nm∼0.5μm의 세공을 얻기 위해서는, 평균 1차 입자 직경이 25∼60nm인 카본 블랙을 사용하는 것이 보다 바람직하고, 평균 1차 입자 직경이 25∼50nm인 카본 블랙을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 보다 구체적으로는, 1차 입자를 염주를 이은 것 같은 쇄상(鎖狀) 구조인 스트럭처 구조를 가지는 카본 블랙이 바람직하게 사용되고, 이 스트럭처 구조가 서로 얽히고, 불소 수지로 결착됨으로써 직경 10nm∼0.5μm의 세공이 형성된다. 그리고, 탄소 미세 분말로서는, 카본 나노 튜브, 가본나노파이버 등의 나노 카본 재료도 사용할 수 있다. 또한, 인편상(鱗片狀) 흑연, 인상(鱗狀) 흑연, 토상(土狀) 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 및 박편 그래파이트 등의 그래파이트를, 카본 블랙이나 나노 카본 재료와 병용할 수도 있다. 나노 카본 재료보다 도전성이 높은 그래파이트를 가함으로써, 전극 기재의 도전성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 전극 기재에 있어서, 탄소 미세 분말의 함유량이, 40중량% 이상 70중량% 이하인 것이 바람직하고, 45중량% 이상 60중량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 탄소 미세 분말의 함유량이 40중량% 이상, 보다 바람직하게는 45중량% 이상인 것에 의해, 전극 기재의 도전성을 높일 수 있다. 한편, 탄소 미세 분말의 함유량이 70중량% 이하인 것에 의해, 가스 확산성에 필요한 직경 0.5μm∼120μm의 세공 용적이 증가하여, 가스 확산성이 향상하는 경향이 있다.
불소 수지는 도전성이 낮지만, 탄소 미세 분말이 소정량 혼합하여 존재하는 것에 의해, 탄소 미세 분말이 도전 경로가 되어, 전극 기재에 충분한 도전성이 부여된다. 본 발명의 전극 기재는, 불소 수지와 함께 포함되는 탄소 미세 분말에 의해 도전성이 확보됨으로써, 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유의 결착 수지의 탄화를 위하여 종래 실시되고 있던 1000℃를 초과하는 고온에서의 소성 공정이 불필요하게 되므로, 제조 비용을 억제할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 전극 기재는, 그 세공 직경 분포에 있어서, 세공 직경 0.5μm 이상 120μm 미만의 범위에 존재하는 제1 피크와, 10nm 이상 0.5μm 미만의 범위에 존재하는 제2 피크를 적어도 가지고, 제2 피크의 피크 용적(V2)에 대한 제1 피크의 피크 용적(V1)의 비(V1/V2)가 1.0∼7.0이 된다. 제1 피크는 주로 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유 사이의 공극에 유래하고, 제2 피크는 주로 해서 탄소 미세 분말이 가지는 세공에 유래한다. V1/V2이 7.0보다 크면, 전극 기재 내부의 세공 사이즈가 커지고, 탄소 미세 분말로 이루어지는 도전 경로의 밀도가 저하되어 전극 기재의 도전성이 악화되다. V1/V2을 7.0 이하로 함으로써 수증기를 전해질막 근방에 체류시켜, 전해질막을 보습할 수 있다. 한편, V1/V2이 1.0보다 작으면, 연료 가스가 통과하는 세공 용적이 작아져, 가스 확산성이 저하된다. V1/V2을 상기한 범위로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 전극 기재 중의 탄소 미세 분말의 함유량을 조정하는 방법이 있다. 구체적으로는, 탄소 미세 분말의 함유량을 증가시킴으로써, 탄소 미세 분말 유래의 세공이 형성되며, 그 세공 용적이 V2에 상당한다. 또한, 탄소 미세 분말의 함유량을 증가시킴으로써 V1에 상당하는 세공 용적의 세공이 메워진다. 이에 따라, 탄소 미세 분말의 함유량을 증가시킴으로써, V1/V2을 작게 할 수 있다. 또한, 탄소 미세 분말의 함유량을 감소시킴으로써, V1/V2을 크게 할 수 있다.
본 발명의 전극 기재는, 탄소 미세 분말을, 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 200중량부 이상 400중량부 이하 포함하는 것이 바람직하고, 250중량부 이상 350중량부 이하 포함하는 것이 보다 바람직하다. 탄소 미세 분말을, 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 200중량부 이상, 보다 바람직하게는 250중량부 이상 포함하는 것에 의해, 전극 기재의 도전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 미세 분말을, 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 400중량부 이하, 보다 바람직하게는 350중량부 이하 포함하는 것에 의해, 탄소 미세 분말을 전극 기재 내에서 균일하게 분포시키는 것이 용이하게 된다.
그리고, 상기 결착제에 대하여 진술한 이유와 동일한 이유에 의해, 본 발명의 전극 기재에 있어서는, 탄소 섬유 시트의 공극에 충전되는 성분으로서 열경화성 수지를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 전극 기재를 500℃의 대기 분위기 하에서 1시간 번오프 처리했을 때, 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유끼리가 충분히 결착되어 있지 않은 상태가 되어, 탄소 섬유를 분리, 회수할 수 있는 상태가 되는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 탄소 섬유 시트의 공극에 충전되는 결착제가 열가소성 수지만으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
전극 기재에 번오프 처리를 실시하면 탄소 섬유끼리를 고정하고 있던 결착제, 불소 수지가 번오프되므로, 열경화 수지를 포함하지 않는 경우에는 전극 기재의 두께가 증가한다. 본 발명의 전극 기재는, 500℃의 대기 분위기 하에서 1시간 번오프 처리한 후의 무가압 두께가, 번오프 처리 전의 무가압 두께의 1.5배 이상인 것이 바람직하고, 2배 이상인 것이 보다 바람직하다. 상한은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 5배 정도이다. 이와 같은 두께 변화는, 전극 기재를 구성하는 탄소 섬유끼리 충분히 결착되어 있지 않은 상태가 되어, 탄소 섬유를 분리, 회수할 수 있는 상태가 된 것을 나타내고 있다. 무가압 두께는 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
전극 기재의 두께는 50∼230μm인 것이 바람직하고, 70∼180μm인 것이 더욱 바람직하다. 두께가 230μm 이하, 보다 바람직하게는 180μm 이하인 것에 의해, 도전성이 높고, 또한 생성수도 배출되기 쉬워진다. 또한, 연료 전지 전체로서 사이즈도 작게 하기 쉬워진다. 한편, 두께가 50μm 이상, 보다 바람직하게는 70μm 이상인 것에 의해, 내부의 면 내측 방향의 가스 확산이 효율적으로 행해지고, 발전 성능이 향상하기 쉬워진다.
전극 기재의 밀도는 0.50g/cm3 이하인 것이 바람직하고, 0.40g/cm3 이하인 것이 보다 바람직하다. 밀도가 0.50g/cm3 이하, 보다 바람직하게는 0.40g/cm3 이하인 것에 의해, 가스의 확산성이 커지고, 액수이 유로(流路)에 배출되기 쉬워지므로 발전 성능이 향상하고, 또한 스프링성도 향상한다. 한편, 전극 기재의 밀도는 0.20g/cm3 이상인 것이 바람직하고, 0.25g/cm3인 것이 보다 바람직하다. 전극 기재의 밀도가 0.20g/cm3 이상, 보다 바람직하게는 0.25g/cm3 이상인 것에 의해, 기계적 강도가 높아지고 핸들링이 용이하게 된다.
본 발명의 전극 기재에 있어서, 탄소 섬유 시트의 단락(短絡) 전류 밀도가 80mA/cm2 이하인 것이 바람직하고, 50mA/cm2 이하인 것이 보다 바람직하다. 단락 전류 밀도가 80mA/cm2 이하, 보다 바람직하게는 50mA/cm2 이하인 것에 의해, 발전 시에 연료 전지셀 내에서 전해질막에 단락을 발생시키기 어려워, 급격한 전압 저하를 방지할 수 있다. 탄소 섬유 시트의 단락 전류 밀도는 작으면 작을수록 바람직하고, 0mA/cm2인 것이 가장 바람직하다. 탄소 섬유 시트의 단락 전류 밀도를 상기한 범위로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 후술하는 성형 공정을 채용하여 탄소 섬유 시트 표면을 평활하게 하는 방법이 있다.
<전극 기재의 제조 방법>
본 발명의 전극 기재의 제조 방법은, 탄소 섬유 시트를, 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지하는 침지 공정과, 침지 공정에서 침지한 분산액에 포함되는 불소 수지를 용융시키기 위한 열처리 공정을 가지는 것이 바람직하다.
[침지 공정]
침지 공정에 있어서는, 탄소 섬유 시트를, 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지한다. 탄소 섬유 시트, 불소 수지 및 탄소 미세 분말에 대해서는, 전술한 설명을 참조하면 된다.
탄소 섬유 시트에 분산액을 함침하는 방법으로서는, 분산액을 탄소 섬유 시트에 도포하는 방법도 고려할 수 있다. 그러나, 도포의 경우, 분산액에 포함되는 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 도포면 측에 많고, 다른쪽 면 측에서 적어지는 것이 회피할 수없다. 도포 후에 핫 프레스 등의 가열 처리를 실시한 경우라도, 불소 수지는 용융되어 도포면 측으로부터 다른쪽 면 측으로 어느 정도 이동하지만, 탄소 미세 분말은 가열되어도 용융하지 않으므로 이동하기 어렵고, 전극 기재 전체적으로 균일하게 존재하게 하는 것이 곤란하다. 탄소 섬유 시트를, 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지함으로써, 탄소 미세 분말을 전극 기재의 양면에 균일하게 존재하게 하는 것이 가능하게 된다.
[성형 공정]
본 발명의 전극 기재의 제조 방법은, 상기 침지 공정 후, 그리고 열처리 공정 전에 100℃ 이상의 온도로 가열 및 가압하는 성형 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 상기한 바와 같이 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 침지된 탄소 섬유 시트를, 상기 침지 공정 후, 그리고 열처리 공정 전에 가열 및 가압하여 형성해 두는 것도 바람직하다. 이 공정을, 본 명세서에 있어서는 성형 공정이라고 한다. 이 성형 공정에 의해, 얻어지는 전극 기재의 두께나 공공율(空孔率)을 보다 정확하게 제어할 수 있고, 탄소 섬유 시트 표면의 불소 수지가 일부 녹으면서 가압됨으로써 탄소 섬유 시트 표면이 평활하게 된다. 불소 수지 및 탄소 미세 분말의 집합체는, 연료 전지를 조립하기 위하여 전해질막을 전극 기재로 협지할 때, 돌출부로서 전해질막을 찢어서 단락을 발생시키는 원인이 된다. 탄소 섬유 시트 표면을 평활하게 함으로써 이 단락을 대폭 억제할 수 있다. 성형 공정에 있어서, 가열 온도는 100∼250℃가 바람직하다. 또한, 가하는 압력은 0.01∼5MPa가 바람직하다.
[열처리 공정]
불소 수지와 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지되어, 필요에 따라 성형 공정을 거친 탄소 섬유 시트는, 다음으로 열처리 공정에 제공된다. 열처리 공정에서의 열처리 온도는, 300℃ 이상 400℃ 이하인 것이 바람직하다. 300℃ 이상의 온도에서 열처리함으로써, 함침된 분산액에 포함되는 불소 수지가 용융되어 젖어서 퍼져서, 전극 기재 전체에 발수성이 부여된다. 또한, 400℃ 이하로 함으로써, 대규모 가열로가 불필요하게 되므로, 전극 기재의 제조 비용을 대폭 저감할 수 있다.
본 발명의 전극 기재의 제조 방법에 있어서, 탄소 미세 분말의 함유량이, 전극 기재 전체의 중량 100중량% 중에 40중량% 이상 70중량% 이하로 되는 것이 바람직하다. 전극 기재 중의 탄소 미세 분말의 함유량이 상기한 범위인 것이 바람직한 이유나, 보다 바람직한 범위 등에 대해서는 전술한 바와 같다. 전극 기재 중의 탄소 미세 분말의 함유량을 상기한 범위로 하기 위한 방법으로서는, 예를 들면, 침지 공정에서의 분산액에, 전극 기재 중의 탄소 미세 분말의 함유량을 상기한 범위로 하기 위해 필요한 양을 함유시키는 방법 등이 있다.
본 발명의 전극 기재의 제조 방법에 있어서, 전극 기재가 탄소 미세 분말을, 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 200중량부 이상 400중량부 이하 포함하는 것이 바람직하다. 전극 기재 중의 탄소 미세 분말과 불소 수지의 상대적인 함유량이 상기한 범위인 것이 바람직한 이유나, 더욱 바람직한 범위에 대해서는 전술한 바와 같다. 전극 기재 중의 탄소 미세 분말과 불소 수지의 상대적인 함유량을 상기한 범위로 하기 위한 방법으로서는, 예를 들면, 침지 공정에서의 분산액에 있어서, 불소 수지의 상대적인 함유량을, 전극 기재 중의 상대적인 함유량보다 많게하는 방법이 있다. 통상, 탄소 미세 분말의 함유량은 열처리 공정에서도 거의 감소하지 않는 것에 비해, 불소 수지의 함유량은 열처리 공정에서 대폭 감소한다. 이에 따라 분산액에 불소 수지를, 목적으로 하는 전극 기재 중의 상대적인 함유량보다 많이 포함시킴으로써, 전극 기재 중의 상대적인 함유량을 상기한 범위로 할 수 있다. 열처리 공정에서의 불소 수지의 감소의 정도는 열처리 조건에 따라 달라지므로, 분산액에서의 불소 수지의 함유량은, 열처리 조건에 맞추어서 적절하게 조정된다.
실시예
다음으로, 실시예에 의해, 본 발명의 전극 기재에 대하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 전극 기재는 이들 실시예로 한정되지 않는다. 실시예에서 사용한 재료, 전극 기재의 제작 방법과 평가법, 연료 전지의 전지 성능 평가 방법을, 다음에 나타내었다.
<세공 직경 분포>
전극 기재를 6cm2로 컷팅한 측정 샘플을 5개 준비하고, 수은 압입법에 의해, 측정 압력 6kPa∼123MPa(세공 직경 10nm∼200μm)의 범위에서 측정하여 얻어지는 세공 직경 분포의 피크 직경의 평균값을 구했다. 그리고, 1샘플 내에서 가까운 세공 직경 영역에 복수의 피크가 나타나는 경우에는, 가장 높은 피크의 피크 직경을 채용했다. 측정 장치로서는, 시마즈제작소(島津製作所)사에서 제조한 오토포어 9520을 사용했다. 여기서, 세공 직경의 피크는 수은 포로시미터에 의한 세공 측정으로 얻어지는 대수 미분 세공 용적 분포 그래프의 곡선에 있어서, 대상으로 하는 영역에서의 극대점(극대점이 복수 있는 경우에는 최대 극대점)을 그 영역의 피크로 하고, 그 위치를 세공 직경으로 하였다.
또한 세공의 피크 용적에 대해서는, 대수 미분 세공 용적 분포 그래프를 세공 직경에 대하여 적분한 적산 데이터에 있어서, 측정 대상의 세공 직경이 큰 세공 직경에서의 적산 용적의 값으로부터 작은 세공 직경의 적산 데이터를 빼고, 측정 샘플의 중량으로 나눈 값의 5샘플의 평균값을 취한다. 예를 들면, 제2 영역(10nm 이상 0.5μm 미만의 영역)에서의 피크 용적은, 0.5μm 미만의 적산 데이터로부터 10nm 미만의 적산 데이터를 뺀 값을 샘플 중량으로 나누어서 구한다.
<전극 기재의 두께 및 밀도>
전극 기재의 두께는, (주)니콘에서 제조한 디지털 두께계 "디지털 마이크로"을 사용하여, 전극 기재에 0.15MPa의 하중을 가하면서 측정을 행하였다. 또한 전극 기재의 중량, 면적으로부터 밀도를 산출했다.
<불소/탄소비(F/C)>
[전극 기재의 표면에서의 F/C의 평균값(F/C-1, F/C-3)]
가속 전압 10kV, 확대 배율 400배의 조건으로 SEM-EDX 분석을 행하고, 전극 기재 표면과, 다른 한쪽 표면의 탄소, 및 불소의 원소 매핑 상(像)을 각각 5장 취득하고, 탄소의 시그널 강도의 평균값에 대한 불소의 시그널 강도의 평균값의 비율을 산출했다. 주사형 전자현미경으로서는, (주)히타치제작소(日立製作所)에서 제조한 S-5500을 사용하였고, 에너지 분산형 X선 분석 장치로서는, (주)호리바제작소(堀場製作所)에서 제조한 EX-220SE를 사용했다.
[전극 기재의 두께 방향의 중심면에서의 F/C의 평균값(F/C-2)]
크라이오 이온빔 단면 가공 장치에 의해 냉각하면서 전극 기재의 두께를 절반으로 만들고, 두께의 중점(中点) 부근의 면을 노출시켰다. 그리고, 상기 동일한 두께 측정에 따라, 두께를 1개소 측정하고 단면 가공 후의 전극 기재의 두께가 가공 전의 전극 기재의 두께의 절반이 되어 있는 것을 확인했다. 그리고, 전극 기재표면의 측정과 동일하게 하여 F/C를 산출했다.
<무가압 두께>
키엔스에서 제조한 원샷 3D 측정 마이크로스코프 VR-3000을 사용하여 측정했다. SUS제 플레이트 위에 30mm×30mm로 컷팅한 전극 기재를 두고, 관찰 시야의 한쪽 절반에 SUS제 플레이트, 다른 한쪽에 전극 기재가 포함되도록 SUS제 플레이트와 전극 기재를 세팅하였다. 배율을 12배로 하여 3D 측정을 실시했다. 얻어진 화상의 SUS제 플레이트부의 영역과 전극 기재의 영역 각각의 평균 높이를 산출하고, SUS제 플레이트부의 평균 높이와 전극 기재의 평균 높이의 차이를 전극 기재의 무가압 두께로 하였다. 번오프 처리로서 대기 분위기 하 500℃로 1시간 가열한 후의 전극 기재에 대해서도 동일하게 무가압 두께를 측정했다.
<도전 저항>
전극 기재의 면 직각 방향의 도전 저항은, 전극 기재를 30mm×30mm로 컷팅하고, 2장의 도금판에 협지하고 1.0MPa의 균일한 면압을 가했을 때, 1.0A의 전류를 흐르게 하고, 그 때의 저항을 측정하여 전극 기재의 면적을 곱하여 구했다.
<스프링성>
전극 기재의 면 직각 방향의 스프링성은, 전극 기재를 30mm×30mm로 컷팅하고, 2장의 도금판에 협히하고 1.0MPa의 균일한 면압을 가했을 때의 두께를 측정하고, 그 후 2.0MPa의 균일한 면압을 가한 두께를 측정하고, 이하의 식으로부터 산출했다. 스프링성의 값이 작을수록 스프링성이 우수하다.
(스프링성)=(2.0MPa에서의 두께)/(1.0MPa에서의 두께)
<가스 확산성>
세이카산업(西華産業)에서 제조한 수증기 가스 수증기 투과 확산 평가 장치(MVDP-200C)를 사용하여, 전극 기재의 한쪽 면 측(1차측)에 확산성을 측정하고하 하는 가스를 흐르게 하고, 다른쪽 면 측(2차 측)에 질소 가스를 흐르게 한다. 1차측과 2차 측의 차압(差壓)을 0Pa 근방(0±3Pa)으로 제어해 두고(즉 압력차에 의한 가스의 흐름은 거의 없고, 분자 확산에 의해서만 가스의 이동 현상이 일어남), 2차 측의 가스 농도계에 의해, 평형에 도달했을 때의 가스 농도를 측정하고, 이 값(%)을 두께 방향의 가스 확산성의 지표로 하였다.
<단락 전류 밀도>
고분자 전해질막 "Nafion"(등록상표) NR212(DuPont사 제조)(막 두께 50μm)의 양면을, 제작한 전극 기재으로 협지하였다. 여기서, 전극 기재는 1변 4cm의 정사각형, 고분자 전해질막은 1변 6cm 이상의 정사각형으로 하고, 고분자 전해질막의 각 변과 전극 기재의 각 변을 평행하게 하여, 고분자 전해질막의 중심과 전극 기재의 중심이 일치하도록 중첩하였다. 중첩한 고분자 전해질막과 전극 기재를, 도금한 스테인레스 블록 전극 2개로 협지하고(협지하는 면은 1변 3cm의 정사각형), 전극 기재의 9cm2의 면적에 압력이 4MPa가 되도록 가압했다. 이 때, 스테인레스 블록 전극의 협지하는 면의 각 변과 전극 기재의 각 변을 평행하게 하여, 스테인레스 블록 전극의 중심과 전극 기재의 중심이 일치하도록 협지하였다. 디지털 멀티미터(KEITHLEY Model196 SYSTEM DMM)을 사용하여 도금한 스테인레스 블록 전극 사이에 2V의 직류 전압을 인가하고, 전극 간의 전류를 측정하고, 얻어진 값을 단락 전류로 했다. 이 측정을 10회 반복하고, 그 평균값을 전극에 가압 인가하고 있는 면적 9cm2로 나누어서 단락 전류 밀도로 했다.
<고체고분자형 연료 전지의 발전성능>
백금 담지(擔持) 탄소(다나카귀금속공업(田中貴金屬工業)(주) 제조, 백금 담지량: 50질량%) 1.00g과, 정제수 1.00g, "Nafion"(등록상표) 용액(Aldrich사 제조 "Nafion"(등록상표) 5.0질량%) 8.00g과, 이소프로필알코올(나카라이테스크사 제조) 18.00g을 순서대로 가함으로써, 촉매액을 제작했다.
다음으로, 5cm×5cm로 컷팅한 "나플론"(등록상표) PTFE 테이프 "TOMBO"(등록상표)No. 9001(니치아스(주) 제조)에, 촉매액을 스프레이로 도포하고, 상온(常溫)에서 건조시켜, 백금량이 0.3mg/cm2인 촉매층 부착 PTFE 시트를 제작했다. 계속해서, 8cm×8cm로 컷팅한 고체고분자 전해질막 "Nafion"(등록상표) NRE-211CS(DuPont사 제조)를, 2장의 촉매층 부착 PTFE 시트로 협지하고, 평판 프레스로 5MPa로 가압하면서 130℃의 온도로 5분간 프레스하고, 고체고분자 전해질막에 촉매층을 전사했다. 프레스후, PTFE시트를 벗기고, 촉매층 부착 고체고분자 전해질막을 제작했다.
다음으로, 촉매층 부착 고체고분자 전해질막을, 각실시예·비교예에서 제작한 2장의 전극 기재를 5cm×5cm로 컷팅한 것이며 협지하고, 평판 프레스로 3MPa에 가압하면서 130℃의 온도에서 5분간 프레스하여, 막전극 접합체를 제작했다.
얻어진 막전극 접합체를 연료 전지평가용 단 셀에 조립하고, 전류 밀도를 변화시켰을 때의 전압을 측정했다. 여기서, 세퍼레이터로서는, 홈 폭, 홈 깊이, 리브 폭이 모두 1.0mm인 1 유로의 서펜타인(serpentine)형 세퍼레이터를 사용했다. 또한, 애노드 측에는 무가압의 수소를, 캐소드 측에는 무가압의 공기를 공급하여, 평가를 행하였다.
전극 기재의 배수성의 확인을 위하여, 수소와 공기는 모두 70℃의 온도로 설정한 가습 포트에 의해 가습을 행하였다. 이 때의 습도는, 100%였다. 또한, 수소와 공기 중의 산소의 사용율은, 각각 70mol%, 40mol%로 하고, 셀의 온도를 70℃로 했다. 전류 밀도 1.5A/cm2의 출력 전압을 측정하고, 배수성의 지표로서 사용하였다.
(실시예 1)
토레이 가부시키가이샤에서 제조한 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유를 7mm의 길이로 컷팅하고, 물에 분산시켜 초지하고, 나아가서는 폴리비닐알코올의 10중량% 수계(水系) 분산액에 침지하고, 건조시켜, 탄소 섬유의 단위면적당 중량이 약 20g/m2인 장척의 탄소 섬유 시트를 얻어서 롤형으로 권취하였다.
PTFE 수지의 수분산액("폴리플론"(등록상표) PTFE 디스퍼젼 D-210C(다이킨공업(주) 제조)와, 아세틸렌 블랙 "덴카 블랙"(등록상표)(덴카(주) 제조), 계면활성제로서 "TRITON"(등록상표) X-100(나카라이테스크(주) 제조) 및 물을 PTFE 수지:아세틸렌 블랙:계면활성제:물=6:11:1:82의 비율(중량비)이 되도록 혼합한 분산액(액상 수지 조성물)을 준비했다. 10cm×10cm로 컷팅한 상기 탄소 섬유 시트를 분산액에 침지하고, 끌어 올린 후 맹글로 짜서 여분의 액을 제거한 후, 100℃의 온도로 10분간 건조했다.
다음으로, 분산액에 침지한 후의 상기 탄소 섬유 시트에 대하여, 평판 프레스로 가압하면서, 180℃로 5분간, 가열 가압 처리를 행하였다. 그리고, 가열 가압 처리 시에 평판 프레스에 스페이서를 배치하여, 가열 가압 처리 후의 두께가 150μm로 되도록 상하 프레스면 판의 간격을 조정했다. 그리고, 380℃로 10분간 더욱 열처리함으로써 전극 기재를 얻었다.
(실시예 2)
PTFE 수지:아세틸렌 블랙:계면활성제:물=8:15:1:76(중량비)이 되도록 혼합한 액상 수지 조성물에 탄소 섬유 시트를 침지한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극 기재를 얻었다.
(실시예 3)
가열 가압 처리 시에 처리 후의 두께가 85μm로 되도록 평판 프레스의 스페이서를 변경하여 상하 프레스면 판의 간격을 조정하고, 열처리 후의 탄소 섬유 시트의 밀도가 0.60g/cm3로 되도록 한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극 기재를 얻었다.
(비교예 1)
아세틸렌 블랙과, 그래파이트(와코순약공업(和光純藥工業) 가부시키가이샤 제조, 인편상 흑연, 평균 입경(粒徑) 15μm)와, VGCF(쇼와전공(昭和電工) 제조, 섬유직경 0.15μm, 섬유 길이 15μm)와, 계면활성제와, 물을 혼합하고, 또한 PTFE의 수분산액을 첨가하여, 교반했다. PTFE 수지:그래파이트:아세틸렌 블랙:VGCF:계면활성제:물=4:21:13:4:1:57(중량비)이 되도록 했다.
이와 같이 하여 얻어진 혼련물을 연신(延伸) 롤기로 압연하여 시트형으로 만들고, 시트형으로 만든 상기 혼련물을 380℃로 10분간 열처리했다.
열처리 후의 상기 혼련물을 다시 연신 롤기로 압연하여 두께 조정을 행하여 전극 기재를 얻었다.
(비교예 2)
탄소 섬유 시트에 액상 수지 조성물을, 다이 코터를 사용하여 도포한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극 기재를 얻었다.
(비교예 3)
PTFE 수지:아세틸렌 블랙:계면활성제:물=9:9:1:81(중량비)로 되도록 혼합한 액상 수지 조성물에 탄소 섬유 시트를 침지한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극 기재를 얻었다.
(실시예 4)
평판 프레스에서의 가압을 실시하지 않은 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극 기재를 얻었다.
각 실시예·비교예에서의 전극 기재의 구성 및 각종 평가 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
본 발명의 전극 기재를 사용한 가스 확산 전극 기재는, 연료 전지, 특히 고체고분자형 연료 전지의 가스 확산 전극에 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 전극 기재를 사용한 가스 확산 전극 기재는, 도전성과 배수성, 가스 확산성, 스프링성을 양립할 수 있으므로, 고습도 저온이나 고전류 밀도 조건 등, 연료 가스의 공급량이 많아 물이 다량으로 발생하는 사용 환경에 있어서도 높은 발전 성능을 발휘하는 고체고분자형 연료 전지를 제작할 수 있다.

Claims (14)

  1. 탄소 섬유 시트의 공극(空隙)에 불소 수지 및 탄소 미세 분말이 충전되어 이루어지는 전극 기재(基材)로서,
    주사형 전자현미경-에너지 분산형 X선 분광 분석에 의해 측정되는 불소/탄소비(F/C)의, 한쪽 표면에서의 평균값(F/C-1), 두께 방향의 중심면에서의 평균값(F/C-2), 및 다른 쪽 표면에서의 평균값(F/C-3) 중, 최소값(F/Cmin)의 최대값(F/Cmax)에 대한 비가 0.80 이상이며,
    또한, 수은 압입법에 의해 측정되는 세공(細孔) 직경 분포에 있어서, 세공 직경 0.5μm 이상 120μm 미만의 범위에 존재하는 제1 피크와, 10nm 이상 0.5μm 미만의 범위에 존재하는 제2 피크를 적어도 가지고, 또한 제2 피크의 피크 용적(V2)에 대한 제1 피크의 피크 용적(V1)의 비(V1/V2)가 1.0∼7.0인, 전극 기재.
  2. 제1항에 있어서,
    밀도가 0.50g/cm3 이하인, 전극 기재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 시트가 탄소 섬유 초지체(抄紙體)인, 전극 기재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 미세 분말의 함유량이, 40중량% 이상 70중량% 이하인, 전극 기재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불소 수지의 함유량이, 10중량% 이상인, 전극 기재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 미세 분말을, 상기 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 200중량부 이상 400중량부 이하 포함하는, 전극 기재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유를 결착하는 결착제로서의 열경화성 수지를 포함하지 않는, 전극 기재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    500℃의 대기 분위기 하에서 1시간 번오프 처리한 후의 무가압 두께가, 번오프 처리 전의 무가압 두께의 1.5배 이상인, 전극 기재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 시트의 공극에 충전되는 성분으로서 열경화성 수지를 포함하지 않는, 전극 기재.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 시트의 단락(短絡) 전류 밀도가 80mA/cm2 이하인, 전극 기재.
  11. 탄소 섬유 시트를, 불소 수지 및 탄소 미세 분말을 포함하는 분산액에 침지하는 침지 공정과,
    침지 공정에서 침지한 분산액에 포함되는 불소 수지를 용융시키기 위한 열처리 공정을 가지는, 전극 기재의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    탄소 미세 분말의 함유량이, 전극 기재 전체의 중량 100중량% 중에 40중량% 이상 70중량% 이하가 되는, 전극 기재의 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    전극 기재가 탄소 미세 분말을, 불소 수지의 중량 100중량부에 대하여, 200중량부 이상 400중량부 이하 포함하는, 전극 기재의 제조 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침지 공정 후, 또한 열처리 공정 전에 100℃ 이상의 온도로 가열 및 가압하는 성형 공정을 가지는, 전극 기재의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023190160A1 (ja) * 2022-03-30 2023-10-05 東レ株式会社 炭素シートおよびそれを用いたガス拡散電極基材、膜電極接合体、燃料電池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010050219A1 (ja) 2008-10-31 2010-05-06 パナソニック株式会社 燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、膜電極接合体、並びに燃料電池
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19544323A1 (de) * 1995-11-28 1997-06-05 Magnet Motor Gmbh Gasdiffusionselektrode für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
JP2001006698A (ja) * 1999-06-23 2001-01-12 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法
JP2006339018A (ja) * 2005-06-01 2006-12-14 Univ Of Yamanashi 燃料電池用ガス拡散層、およびこの製造方法
WO2021070652A1 (ja) * 2019-10-10 2021-04-15 東レ株式会社 炭素繊維シートおよびその製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010050219A1 (ja) 2008-10-31 2010-05-06 パナソニック株式会社 燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、膜電極接合体、並びに燃料電池
JP2010192350A (ja) 2009-02-20 2010-09-02 Japan Vilene Co Ltd ガス拡散層、膜−電極接合体及び燃料電池

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