WO2023286560A1 - 有機ハイドライド製造用カソード拡散層 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]
連続空隙を有する多孔体であり、線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、前記線状部の平均繊維径が0.5μm以上4.0μm以下である炭素フォームを含む、有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[2]
前記炭素フォームが、JIS P8125に準拠して測定されるテーバ曲げ剛さが1.0以上50.0gf・cm以下である、[1]に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[3]
前記炭素フォームが、少なくとも一部において前記結合部の密度が20,000個/mm3以上であり、粉末X線回折測定における(002)面の回折から、結晶子サイズが1.50nm以上となる、[1]または[2]に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[4]
前記炭素フォームが、平均炭素頻度が0.0004~0.0035μm-2である、[1]~[3]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[5]
前記炭素フォームが、炭素頻度の標準偏差が0.0005以下である、[1]~[4]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[6]
前記炭素フォームが、平均炭素面積比率が0.010~0.300である、[1]~[5]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[7]
前記炭素フォームが、炭素面積比率の標準偏差が0.030以下である、[1]~[6]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
[8]
プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、かつ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層、及び[1]~[7]のいずれかに記載のカソード拡散層が設けられた、有機ハイドライド製造用電解セル。
[9]
前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、[8]に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
<2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を2M硫酸水溶液に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向及び前記X方向に直交するY方向の寸法変化率を下記式にて算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
[10]
前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上であり、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、[8]に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
<蒸留水浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
[11]
前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される結晶長周期のピーク強度が0.5以下である、[8]~[10]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
[12]
前記固体高分子電解質膜が、クレーズ面積率が1.5%以下である、[8]~[11]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
[13]
プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満である、有機ハイドライド製造用電解セル。
<2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を2M硫酸水溶液に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向及び前記X方向に直交するY方向の寸法変化率を下記式にて算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
[14]
プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上である、有機ハイドライド製造用電解セル。
<蒸留水浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
[15]
前記固体高分子電解質膜のクレーズ面積率が1.5%以下である、[13]又は[14]に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
[16]
前記固体高分子電解質膜のYI値が9.00以下である、[13]~[15]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
[17]
前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される結晶長周期のピーク強度が0.5以下である、[13]~[16]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
[18]
前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、[13]~[17]のいずれかに記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
また、被水素化物と水素化物の物質移動を速やかに行う観点から、連続空隙を持つ多孔体であることが好ましい。これらの観点から、炭素フォームが好適に用いられる。
図1は、連続空隙を持つ炭素フォームの一例のSEM画像である。
本実施形態の炭素フォームにおける線状部の平均繊維径は、物理的な強度と導電性が良好な観点から、0.5μm以上が好ましく、0.8μm以上がより好ましく、1.2μm以上が最も好ましい。また、炭素フォームの圧縮挙動時の変形性や復元性が良好に保たれる観点から、線状部の平均繊維径は4.0μm以下が好ましく、3.5μm以下がより好ましく、3.0μm以下が最も好ましい。
本実施形態の炭素フォームの結合部の密度は、圧縮荷重を印加された際の復元性の観点から、20,000個/mm3以上であることが好ましく、より好ましくは80,000個/mm3以上であり、さらに好ましくは500,000個/mm3以上である。また、炭素フォームの結合部の密度は、炭素フォームの柔軟性の観点から、5,000,000個/mm3以下であることが好ましく、より好ましくは4,000,000個/mm3以下であり、さらに好ましくは3,000,000個/mm3以下である。
本実施形態の炭素フォームでは、X戦光電子分光法によって測定される炭素原子のうち、黒鉛の割合が70at%以上が好ましい。当該割合が70at%以上であることにより、炭素フォームをカソード拡散層に用いる構成において長期充放電に対して安定的に抵抗が低く維持され得る。さらに、代替的または付加的に、本実施形態における炭素フォームでは、X戦光電子分光法によって測定される炭素原子のうち、ヒドロキシ基を有する炭素原子、カルボニル基を構成する炭素原子、およびカルボキシ基を構成する炭素原子の割合の合計は、被水素化物との親和性を良好にし、固体高分子電解質膜を透過する水の排出を良好にする観点から、40at%以下が好ましく、20at%以下がより好ましく、10at%以下が好ましい。
本実施形態の炭素フォームの炭素含有率は、導電性の観点から51質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることが好ましく、85質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、98質量%以上であることがさらに好ましい。炭素含有理の上限は、特に限定されないが、100質量wt%以下であってもよく、99質量wt%以下であってもよい。
なお、炭素フォームの炭素含有率は、蛍光X線測定から求めることができ、具体的には炭素含有率は実施例に記載の方法で測定するものとする。
本実施形態の炭素フォームにおいて、結合部の数に対する線状部の数の割合は、1.4以上1.55以下であってよい。割合は、換言すれば、結合部にて分岐する枝分かれの平均数である。当該割合が1.4以上であることにより、線状部が結合部で結合した三次元網目状構造を有さず、不織布のように結合していない線状部が接触している構造が本実施形態の炭素フォームから排除され得る。また、当該割合が1.55以下であることにより、線状部が帯状の様になった、例えば蜂の巣の様な壁面で覆われた多孔性構造が本実施形態の炭素フォームから排除され得る。当該割合は、好ましくは1.42以上1.53以下、より好ましくは1.44以上1.50以下である。
炭素フォームは、熱処理炉において、例えばメラミン樹脂フォームを熱処理して炭素化すると、炭素フォームの骨格を構成する炭素繊維がすべての方向に均等に広がった等方的な構造を有するものとなる。このような炭素フォームでは、線状部の互いに直交する三方向の各々に対する配向角度の平均値について、一方向に対する配向角度の平均値と、他の方向に対する配向角度の平均値の差θは通常は1°以下である。
ただし、メラミン樹脂フォームを熱処理して炭素化する際に、炭素フォームの原料となる樹脂フォームに圧縮応力を印加すると、炭素繊維の拡がりに異方性を有する骨格構造の炭素フォームが得られる。このような炭素フォームでは、圧縮荷重が印加された際にも、炭素繊維(線状部)の破断を抑制して粉落ちが低減され得、高い復元性が実現され得る。この効果を得るために、本実施形態における炭素フォームでは、配向角度の平均値の差が3°以上であってよい。当該差は、好ましくは5°以上であり、より好ましくは8°以上である。なお、上記三方向は、例えば、x、y、z方向としてよく、炭素フォームに対して任意に設定されてよい。
本実施形態の炭素フォームの空隙率は、柔軟性の観点から50%以上であってよく、60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。また、本実施形態の炭素フォームの空隙率は、表面積が向上し且つセル抵抗が低減する観点から、99%以下であってよく、98%以下であることが好ましく、95%以下であることがより好ましい。
本実施形態の炭素フォームは、取り扱いが良好である観点から、JIS P8125に準拠して測定されるテーバ曲げ剛さが1.0gf・cm以上であることが好ましく、5.0gf・cm以上がより好ましく、10.0gf・cm以上が最も好ましい。一方で柔軟性が高く、セル内部での追随性が良好な観点から、50.0gf・cm以下が好ましく、45.0gf・cm以下がより好ましく、40.0gf・cm以下が最も好ましい。炭素フォームのテーバ曲げ剛さは、例えば炭素フォームを形成する過程で圧縮し、密度を高く調整することや、炭素フォーム表面を例えばカーボンブラック等の炭素材料で被覆することでテーバ曲げ剛さを高くすることができる。
本実施形態の炭素フォームの結晶子サイズLcは、1.50nm以上であることが好ましく、導電性の観点からは1.80nm以上であることがより好ましい。また物理的な脆弱性の点から4.00nm以下であることが好ましく、3.00nm以下であることがより好ましい。
本実施形態の炭素フォームの平均炭素頻度は、カソード触媒層、集電板(カソードプレート)との良好な接触を確保し、抵抗を低減することができる観点から0.0004以上が好ましく、より好ましくは0.0005以上であり、さらに好ましくは0.0010以上である。また、カソード拡散層内の強度を維持し、柔軟性を確保することで、取り扱い性が良好になる観点から、平均炭素頻度は、0.0035以下が好ましく、より好ましくは0.0030以下であり、さらに好ましくは0.0028以下である。
本実施形態の炭素フォームの平均炭素面積比率は、カソード拡散層の電気伝導性が良好となる観点から、0.010以上が好ましく、より好ましくは0.020以上であり、さらに好ましくは0.10以上である。また、カソード拡散層内の通液性を確保し、物質移動における抵抗を低減する観点から、平均炭素面積比率は、0.300以下が好ましく、より好ましくは0.250以下であり、さらに好ましくは0.200以下である。
本実施形態の炭素フォームの炭素頻度の標準偏差は、カソード拡散層内の通液性が均一となり、水素付加反応が効率的に生じ、電流効率が良い観点から、0.0005以下が好ましく、より好ましくは0.0004以下であり、さらに好ましくは0.0002以下である。炭素頻度の標準偏差の下限は特に制限されない。
本実施形態の炭素フォームの炭素面積比率の標準偏差は、カソード拡散層内の通液性が均一となり、水素付加反応が効率的に生じ、電流効率が良い観点から、0.030以下が好ましく、より好ましくは0.025以下であり、さらに好ましくは0.020以下である。炭素面積比率の標準偏差の下限は特に制限されない。
炭素フォームの(002)面の回折から結晶子サイズLcを評価する。サンプルを乳鉢で粉砕した後、卓上X線回折装置 D2 PHASER(Bluker社製)を用いて粉砕したサンプルの広角X線測定を行う。具体的な測定条件は以下の通りである。
-測定条件-
線源:Cu Kα
管電流:30mA
管電圧:40kV
スリット:1mm
試料回転速度:10回転/min
1ステップの測定時間:0.3sec
開始角度(2θ):5.00°
測定ステップ(2θ):0.01°
終了角度(2θ):90.00°
上記測定後、得られたデータを解析し、結晶子サイズLcを算出する。結晶子サイズLcの算出には2θ=25度の付近に現れる(002)面の回折ピークの半値幅β、ピーク最大値の角度θを下記の式(c)(Scherrerの式)に代入して求めることができる。一般的に高い温度で炭素化するほど高い結晶性を有し、Lcの値が大きくなる。
Lc=(Kλ)/βcosθ・・・(c)
ここでKは形状因子、λは線源の波長である。形状因子は(002)面回折であるため、0.90を代入する。線源は今回CuKαを用いているため、1.541を代入して計算を行う。
本明細書において、炭素フォームを構成する炭素繊維の繊維径は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)像を画像解析することによって求められる。具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍の倍率で炭素フォームが観察される。断面形状が円形であると仮定して、炭素繊維の太さが繊維径とみなされる。なお、平均繊維径は、任意の20箇所において、上述のように測定した繊維径の平均値である。
本明細書において、結合部密度、結合部および線状部それぞれの数、ならびに配向角度は、X線CT(Computerized Tomography)装置を用いて炭素フォームを撮影し、得られた断層像データから、前処理として半径2ピクセルのフィルタサイズにて3次元Median filterを使用した後に、大津の二値化アルゴリズム(大津 展之著、「判別および最小2乗規準に基づく自動しきい値選定法」、電子情報通信学会論文誌D、Vol.J63-D、No.4、pp.346-356(1980)参照)を用いて構造と空間に領域分割し、炭素フォームの内部を含めた構造の三次元画像を作製し、得られた三次元画像から構造解析ソフトウェアを用いて求めた値である。
具体的には、結合部および線状部それぞれの数は、上述のように得られた三次元画像に含まれる結合部および線状部を検出し、その数をカウントすることにより求められる。結合部密度は、1mm×1mm×1mmの単位体積当たりの結合部の数をカウントすることにより求められる。結合部の数に対する線状部の数の割合は、同一の炭素フォームに対して上述のようにしてカウントされた結合部および線状部それぞれの数に基づいて求められる。
また、線状部の配向角度θは、線状部の両端の結合部を結ぶ直線と各方向との間の角度であり、三次元画像において互いに直交する三方向の各々に対して求め、各方向について、線状部の配向角度の平均値が求められる。
炭素フォームの構造解析に用いるCT装置としては、低エネルギー高輝度X線によるCT装置、例えば株式会社リガク製の高分解能3DX線顕微鏡nano3DXを用いることができる。また、画像処理並びに構造解析には、例えば株式会社JSOL社製のソフトウェアsimplewareのCenterline editorを用いることができる。
本明細書において、炭素フォームの平均炭素頻度、平均炭素面積比率の測定は、以下のように行われる。上記X線CT装置を用いて得られた三次元画像を、半径2ピクセルのフィルタサイズで3次元Median filterで処理し、大津のアルゴリズムを用いて二値化する。さらに、炭素フォームの厚さ方向の断面画像(炭素フォームの厚さ方向に垂直に切断した断面の画像)の解析領域(624μm×624μm)内で、画像処理ソフトImageJの粒子解析機能を使用して、解析領域内の連続する炭素部分の個数、連続する炭素部分の面積の総和を検出し、下記式のとおり解析領域の面積で除することにより、1μm×1μmあたりの炭素頻度、および炭素面積比率を算出することができる。同様の操作を、炭素フォームの厚さ方向の断面画像1152枚(0.54μm/ピッチで取得)について繰り返し行い、全領域で得られた測定値の平均値を算出することで平均炭素頻度、平均炭素面積比率を求めることができる。
なお、解析の際、画像端の領域を含めた解析条件で算出することができる。
また、平均を算出する際は、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上である断面画像を用いて求めるものとする。
炭素頻度(μm-2)=連続する炭素部分の個数/解析領域の面積
炭素面積比率=連続する炭素部分の総面積/解析領域の面積
[画像処理条件]
画素数:1152×1202ピクセル
画素サイズ:0.54μm/ピクセル
厚さ方向:1152枚(0.54μm/ピッチ)
使用ソフト:ImageJ 1.50i
上述の炭素フォームの平均炭素頻度について、厚さ方向の各断面画像で得られた炭素頻度の標準偏差を求めることができる。その際、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上となる断面画像を用いるものとする。
上述の炭素フォームの炭素面積比率について、厚さ方向の各断面画像で得られた炭素面積比率の標準偏差を求めることができる。その際、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上となる断面画像を用いるものとする。
本明細書において、炭素フォームの表面積は、例えばノギスなどを用いて表面の寸法が測定され、得られた寸法から表面積が求められる。
本明細書において、炭素フォームのX線光電子分光法による表面分析は以下のように行われる。炭素フォーム表面の含酸素官能基濃度はX線光電子分光計(パーキンエルマー,ESCA-5500MT)を用いて測定することができる。得られたC1sピークを、結合エネルギー284.4eV(黒鉛)、285.6eV(C-OH)、287.0eV(C=O)および288.6eV(COOH)をピークとする4つのガウス分布によってフィッティングし、4つのピークの合計面積に対する各ピークの面積の割合を算出することで、各表面官能基濃度を求めることができる。また、4つのピーク合計面積に対する、結合エネルギーが285.6eV(C-OH)、287.0eV(C=O)および288.6eV(COOH)における3つのピーク合計面積の割合から、全表面官能基濃度を求めることができる。
本明細書では、以下に説明するように求めたかさ密度ρbulkおよび真密度ρrealから、下記の式(X)を用いて空隙率Vf,poreを求めることができる。
Vf,pore=((1/ρbulk)-(1/ρreal))/(1/ρbulk)×100 (%) ・・・(X)
まず、ノギス等を用いて炭素フォームの寸法を測定し、得られた寸法から、炭素フォームのかさ体積Vbulkが求められる。次に、精密天秤を用いて、炭素フォームの質量Mが測定される。得られた質量Mおよびかさ体積Vbulkから、下記の式(Y)を用いて炭素フォームのかさ密度ρbulkを求めることができる。
ρbulk=M/Vbulk ・・・(Y)
炭素フォームの真密度ρrealは、n-ヘプタン、四塩化炭素および二臭化エチレンからなる混合液を用いて浮沈法によって求めることができる。具体的には、まず、共栓試験管に適当なサイズの炭素フォームが入れられる。次に、3種の溶媒が適宜混合して試験管に加えられ、30℃の恒温槽に漬けられる。試料片が浮く場合は、低密度であるn-ヘプタンが加えられる。一方、試験片が沈む場合は、高密度である二臭化エチレンが加えられる。この操作を繰返して、試験片が液中に漂うようにする。最後に、液の密度がゲーリュサック比重瓶を用いて測定される。
本実施形態の炭素フォームの製造方法は、炭素フォームの原料となる樹脂フォームを熱処理炉内に導入する原料フォーム導入工程と、熱処理炉内の温度を第1の昇温速度で熱処理温度まで昇温する昇温工程と、上記熱処理温度で所定の時間保持して樹脂フォームを炭素化して炭素フォームとする炭素化工程と、熱処理炉内の温度を室温まで降温する降温工程と、熱処理炉から炭素フォームを搬出する炭素フォーム搬出工程とを備えていてよい。ここで、上記昇温工程は、少なくとも樹脂フォームからの分解性脱離ガスの発生量が多い第1の温度領域において、熱処理炉内を減圧排気しながら行われてよい。
炭素フォームの原料となる樹脂フォームとしては、炭素フォームの原料として公知の任意の樹脂フォームを用いることができる。例えば、原料の樹脂フォームとしてメラミン樹脂フォームを用いる場合、このメラミン樹脂フォームとしては、例えば特開平4-349178号公報に開示されている方法により製造されるメラミン/ホルムアルデヒド縮合発泡体を用いることができる。なお、樹脂フォームとしては、メラミン樹脂フォームに限定されず、ウレタン樹脂フォームおよびフェノール樹脂フォームであってもよい。
上記方法によれば、まず、メラミン/ホルムアルデヒド前縮合物と、乳化剤、気化性発泡剤、硬化剤、および必要に応じて周知の充填剤とを含有する水溶液または分散液を発泡処理した後、硬化処理を施すことによりメラミン/ホルムアルデヒド縮合フォームを得ることができる。
カソード触媒層は、貴金属担持触媒とプロトン伝導性のアイオノマーからなり、カソード拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜の順に並んでおり、接触抵抗を低減する観点から、それぞれが互いに接合されている、ないし、各層が互いに直接接触していることが好ましい。
本実施形態の触媒層における前記導電性の担体は、触媒金属を担持する際の物理的安定性、触媒金属との接点における導電性、電解液に対する化学的安定性、電解環境下における電気化学的安定性、及び経済性という観点から、カーボン素材であることが好ましい。また後述する、本実施形態のより好ましい形態であるネットワーク構造を触媒インク塗布法により形成する観点から、前記導電性の担体は粒子状であることが好ましい。以上の観点から、前記導電性の担体はカーボン粒子であることがさらに好ましい。
本実施形態の固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する材料で形成されており、プロトンを透過する一方で、カソード室とアノード室の間を隔て、物質の混合や拡散を抑制する。
(2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率)
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を2M硫酸水溶液に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向及び前記X方向に直交するY方向の寸法変化率を下記式にて算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
(蒸留水浸漬による寸法変化率)
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
本実施形態の電解質膜は、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体を含有する。
イオン交換基としては、特に限定されないが、例えば、-COOH基、-SO3H基、-PO3H2基又はこれらの塩が挙げられる。塩としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン類塩が挙げられる。
パーフルオロカーボン重合体は、プロトン伝導性を向上し、セル抵抗を低減させる観点から2000g/eq以下が好ましく、1700g/eq以下がより好ましく、1500g/eq以下が最も好ましい。一方で、アノード室からカソード室への水の移動を抑える観点から600g/eq以上が好ましく、700g/eq以上がより好ましく、750g/eq以上が最も好ましい。
なお、当量質量EWは、イオン交換基1当量あたりのパーフルオロカーボン重合体の乾燥質量(g)を意味する。
パーフルオロカーボン重合体の当量質量EWは、パーフルオロカーボン重合体を塩置換し、その溶液をアルカリ溶液で逆滴定することにより測定することができる。
当量質量EWは、パーフルオロカーボン重合体の原料であるフッ素系モノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
-[CF2-CX1X2]a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X4)]g- (1)
式(1)中におけるX1、X2、X3、R1、R2及びa~gは、それぞれ、次のように定義される。
X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基である。
上記ハロゲン原子としては、特に限定されないが、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。上記炭素数1~3のパーフルオロアルキル基としては、特に限定されないが、例えば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロn-プロピル基、パーフルオロイソプロピル基が挙げられる。
X1、X2及びX3は、ポリマーの耐酸化劣化性等の化学的安定性の観点から、好ましくは、それぞれ独立して、フッ素原子、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、より好ましくはフッ素原子である。
X4は、-COOZ基、-SO3Z基、-PO3Z2基又は-PO3HZ基である。
Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、NH4、NH3R11、NH2R11R12、NHR11R12R13、NR11R12R13R14である。
ここで、R11、R12、R13及びR14は、それぞれ独立して、アルキル基又はアリール基である。R11、R12、R13及びR14のアルキル基は、好ましくは炭素数1~6のアルキル基であり、より好ましくは、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、イソブチル基、又はn-ヘキシル基である。アリール基としては、特に限定されないが、例えば、フェニル基、ナフチル基が挙げられる。
なお、X4が、-PO3Z2基である場合、Zは、同じでも異なっていてもよい。上記アルカリ金属原子としては、特に限定されないが、例えば、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子が挙げられる。アルカリ土類金属原子としては、特に限定されないが、例えば、カルシウム原子、マグネシウム原子が挙げられる。X4としては、ポリマーの耐酸化劣化性等の化学的安定性の観点から、SO3Zが好ましい。
R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1~10のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。ここで、R1及びR2のハロゲン原子としては、特に限定されないが、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。これらの中でも、フッ素原子が好ましい。
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、及びa+g=1を満たす数である。bは、0~8の整数である。cは、0又は1である。d、e及びfは、それぞれ独立して、0~6の整数である。ただし、d、e及びfは同時に0ではない。
なお、[CF2-CX1X2]の構造単位と、[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X4)]の構造単位とは、その配列順序は、特に限定されず、ランダムであっても、ブロック体であってもよい。
PFSA樹脂は、-[CF2CF2]-で表される繰り返し単位と、下記式(3)、(4-1)又は(4-2)で表される化合物から誘導される繰り返し単位を含有することが好ましい。
CF2=CF(-O-(CF2CFXO)n-[A]) (3)
(式(3)中、Xは、F又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、nは0~5の整数である。[A]は(CF2)m-SO3Hであり、mは0~6の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。)
CF2=CF-O-(CF2)P-CFX(-O-(CF2)K-SO3H) (4-1)
CF2=CF-O-(CF2)P-CFX(-(CF2)L-O-(CF2)m-SO3H) (4-2)
(式(4-1)及び(4-2)中、Xは、炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、Pは0~12の整数であり、Kは1~5の整数であり、Lは1~5の整数であり、mは0~6の整数である。ただし、KとLは同じでも、異なっていてもよく、P、K、Lは同時に0とはならない。)
-[CF2CF2]a-[CF2-CF(-O-(CF2)m-SO3H)]g- (2)
式(2)中、a及びgは、0≦a<1、及び0<g≦1、a+g=1を満たす数であり、mは、1~6の整数である。
(パーフルオロカーボン重合体の製造方法)
CF2=CF-O-(CF2CFXO)n-A (6)
(式(6)中、Xは、F又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、nは、0~5の整数であり、Aは(CF2)m-Wであり、ここで、mは、0~6の整数であり、nとmは同時に0にならず、Wは加水分解により-SO3H基に転換し得る官能基である。)
CF2=CF-O-(CF2)P-CFX(-O-(CF2)K-W)又はCF2=CF-O-(CF2)P-CFX(-(CF2)L-O-(CF2)m-W) (7)
(式(7)中、Xは、炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、Pは、0~12の整数であり、Kは、1~5の整数であり、Lは、1~5の整数であり、ここで、L、K及びmは同時に0とならない。mは0~6の整数であり、Wは加水分解により-SO3H基に転換し得る官能基である。)
CF2=CFZ (8)
(式(8)中、Zは、H、Cl、F、炭素数1~3のパーフルオロアルキル基、又は環構成原子として酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基である。)
式(6)及び式(7)中のWとしては、特に限定されないが、例えば、-SO2F基、-SO2Cl基、-SO2Br基が挙げられる。また、上記式(6)及び式(7)において、Xは、CF3であり、Wは、-SO2F基であり、上記式(8)において、Zは、Fであることが好ましい。中でも、n=0、m=1~6の整数であり、XがCF3であり、Wが、-SO2F基、Zが、Fであることが、高い親水性及び高い樹脂濃度の溶液が得られる傾向にあるため、より好ましい。
本実施形態の電解質膜の製造に用いられる原料膜は、公知の方法で、前駆体樹脂又はパーフルオロカーボン重合体をフィルム状に加工することで得られる。例えば、前述のパーフルオロカーボン重合体の前駆体を、溶融混練後、押し出し機を用いてフィルムを形成した後、加水分解しイオン交換基を形成する方法を用いることができる。また、一度パーフルオロカーボン重合体を溶媒に分散させた後、基材上にキャスト製膜することでフィルムを形成してもよい。
本実施形態にかかる電解質膜の製造方法は、原料膜を加熱下で延伸する工程を含む。
本実施形態の製造方法は、前記延伸する工程後、冷却過程において緩和処理する工程を更に含む。
つまり、本実施形態の電解質膜は、加熱下で延伸し、好ましくは、0.1%以上5.0%以下の緩和率で冷却することで、クレーズがなく、自己放電が抑制される。
本実施形態の電解質膜における平坦性指数は、有機ハイドライド製造用電解セルの組立の際の作業性が良好である観点から、1.2未満が好ましく、1.1未満がより好ましく、1.05未満がさらに好ましい。電解質膜の平坦性指数は、膜の投影寸法に対する膜面に沿った長さの比である。具体的な測定方法は、実施例に記載したとおりである。電解質膜の平坦性指数は、任意の面で上記数値を満たしていればよく、好ましくは任意の140mm四方に切り出した面で満たしていればよい。
本実施形態の電解質膜における、クレーズ面積率は、アノード室からカソード室への水の透過を抑制する観点から、1.5%以下が好ましく、1.0%以下がより好ましく、0.8%以下が最も好ましい。クレーズ面積率は、例えば、0%以上である。
クレーズ面積とは、電解質膜の全面積に対する透過率10%以上の領域の面積の比を意味する。クレーズ面積は、電解質膜面内の可視光透過率分布を測定することによって求めることができ、より具体的には、実施例に示す方法により測定できる。
本実施形態の配向パラメータは、膜面内、又は膜面に垂直な面(膜面外)のいずれか一方が、透過イオン選択性の観点から、0.05以上であることが好ましく、0.15以上であることがより好ましく、0.20以上であることがさらに好ましい。配向パラメータは、上限は特に制限されないが、クレーズの発生による膜強度の低下を抑制する観点から、0.70以下であることが好ましく、0.60以下であることがより好ましく、0.50以下であることがさらに好ましい。
膜面内、膜面外の配向パラメータqは、後述する小角X線散乱におけるイオンクラスターに由来するピークの方位角方向強度分布I(φ)を、下記式に示す配向関数を用いて近似することによって求めることができる。
本実施形態のイオンクラスター径は、膜面方向と、膜面に垂直な方向について、小角X線散乱(SAXS)により測定することができる。膜面方向のイオンクラスター径は、有機ハイドライド製造用電解セルを形成した際の抵抗成分を低減させる観点から、2.5nm以上が好ましく、2.7nm以上がより好ましく、2.8nm以上がさらに好ましい。また、膜面方向のイオンクラスター径は、電解質膜の膨潤を抑制し、アノード室からカソード室への水の透過を抑制する観点から、3.9nm以下が好ましく、3.5nm以下がより好ましく、3.2nm以下がさらに好ましい。
本実施形態の電解質膜における小角X線散乱で測定される結晶長周期は、小角X線散乱の散乱ベクトル0.1~1.0nm-1の範囲に生じる、結晶と非晶の電子密度差の周期性に由来するピークの位置から、ブラッグの式を用いて求める。
本実施形態の電解質膜の2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率は、有機ハイドライド製造用電解セル内にたわみを生じず、電気特性を低下させない観点から、80%以上100%未満である。
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を2M硫酸水溶液に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向及び前記X方向に直交するY方向の寸法変化率を下記式にて算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100
なお、X方向は、膜面上の任意に選択される方向であり、Y方向は、膜面上でX方向に垂直な方向を意味する。
また、2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率は、例えば、日本光器製作所製D2XY-KSH読取り顕微鏡を用いることで、精度良く評価することができる。一片7cmの正方形の試験片を得ることが難しい場合、例えば、1cm×3cmの短冊状の試験片を使用することでも測定することができる。その際、膜面上の任意のX方向、Y方向をそれぞれ3cmとなるように、2枚の試験片を用いることで、より精度よく評価することができる。
本実施形態の電解質膜の蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率は、有機ハイドライド製造用電解セル内にたわみを生じず、電気特性を低下させない観点から、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上である。
蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率は、有機ハイドライド製造用電解セル内にたわみを生じず、電気特性を低下させない観点から、99.8%以下であることが好ましく、99.5%以下であることがより好ましく、99.2%以下であることがさらに好ましく、99.0%以下であることがよりさらに好ましい。X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率は、応力を低減させ、長期耐久性が良好となる観点から、85%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、93.0%以上であることがさらに好ましく、94.0%以上であることがよりさらに好ましい。
なお、X方向は、膜面上の任意に選択される方向であり、Y方向は、膜面上でX方向に垂直な方向を意味する。Z方向は、X方向及びY方向に直交する方向を意味する。
また、蒸留水浸漬による寸法変化率は、例えば、日本光器製作所製D2XY-KSH読取り顕微鏡を用いることで、精度良く評価することができる。一片7cmの正方形の試験片を得ることが難しい場合、例えば、1cm×3cmの短冊状の試験片を使用することでも測定することができる。その際、膜面上の任意のX方向、Y方向をそれぞれ3cmとなるように、2枚の試験片を用いることで、より精度よく評価することができる。
電解質膜が蒸留水で膨潤している場合は、電解質膜の含水率が1%以下となるように乾燥してから測定に用いることができる。蒸留水以外のもの、例えば、流酸水溶液で膨潤している場合は、洗浄液がpH6.0以上になるまで蒸留水で洗浄した後、電解質膜の含水率が1%以下となるように乾燥してから測定に用いることができる。
本実施形態の電解質膜のYI値(黄色度)は、膜中の成分が溶出し、触媒層に付着することによる抵抗を抑える観点から、9.00以下が好ましく、3.00以下がより好ましく、1.00以下がさらに好ましい。
電解質膜のYI値の増加は、電解質膜中に存在する溶剤や、添加剤、低分子量成分が、加熱により分解、変性することによって生じる。電解質膜中のこれらの成分を、あらかじめ蒸留水等で洗浄し、除去することや、例えば50℃以下で減圧乾燥、不活性ガス気流下で乾燥させることで、電解質膜のYI値を低く抑えることができる。また、原料膜を延伸して電解質膜とする場合には、原料膜を延伸する際の装置内の排風量を増加させることや、不活性ガス気流下で延伸することでもYI値を低く抑えることができる。
YI値の測定は、具体的には、一片5cmの正方形に切り出した電解質膜を、日本電色工業株式会社製「Spectrophotometer:SE600」にて、D65光源を用い、透過により測定することができる。電解質膜厚については、75μmのものを用いるか、積層して75μmに調整したものを用いてもよい。また、例えば、25μm、50μm、100μmなど、異なる厚み3種類の膜のYI値を測定し、厚みとYI値をプロットした点の直線関係から75μmでのYI値を求めてもよい。
アノード電極は、電気伝導性を持つ支持体とアノード触媒を有する。アノード電極の支持体は、機械的強度を高くし、取り扱い性を良好にする観点から、0.1mm以上が好ましく、0.3mm以上がより好ましい。一方でセルサイズを小さくする観点から、5.0mm以下が好ましく、3.0mm以下がより好ましい。また、アノードで発生する酸素ガスを排出し、気泡が表面に付着することによる抵抗増大を抑制する観点から、網目構造を持つことが好ましい。また、酸素ガスを発生するアノード電極は、気泡による抵抗の増大を避け、被電解液の供給を促進するため多孔体であることが好ましく、耐酸腐食性に優れていることが好ましい。この観点からチタン製であることが好ましい。
本実施形態の触媒層は、被水素化有機化合物の少なくとも一部又は全部が芳香族化合物であることが好ましい。さらに、本実施形態の触媒層は、前記芳香族化合物がベンゼン、ナフタレン、アントラセン、トルエン、キシレン、ジフェニルメタン、ジフェニルエタン、トリフェニルメタン、トリフェニルエタン、ジベンジルトルエン、フェノール、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン及びイソキノリンからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。また、これら芳香族化合物は1種単独で含まれていてもよく、2種以上の混合物であってもよい。また、被水素化有機化合物は、常温常圧で液体であるとより好ましい。液体を電解液として用いることで、昇温昇圧設備を用いることなく電解合成セルによる電気化学的水素化が可能となり、また水素キャリアとしての扱いも容易となる傾向にある。こうした観点から被水素化有機化合物はベンゼン、トルエン、キシレン、ジフェニルエタン又はキノリンであるとより好ましく、トルエンが最も好ましい。
カソード拡散層の厚さ(mm)は接触式の膜厚計(株式会社東洋精機製作所製)を用いて測定した。
カソード拡散層の目付(g・m-2)は50×50mmに切り出した電極の質量を面積によって除して求めた。
まず、ノギス等を用いてカソード拡散層の寸法を測定し、得られた寸法から、カソード拡散層のかさ体積Vbulkを求める。次に、精密天秤を用いて、カソード拡散層の質量Mを測定する。得られた質量Mおよびかさ体積Vbulkから、下記の式(Y)を用いてカソード拡散層のかさ密度ρbulk(g・cm-3)を求めることができる。
ρbulk=M/Vbulk・・・(Y)
カソード拡散層の真密度ρreal(g・cm-3)は、n-ヘプタン、四塩化炭素および二臭化エチレンからなる混合液を用いて浮沈法によって求めることができる。具体的には、まず、共栓試験管に適当なサイズのカソード拡散層を入れる。次に、3種の溶媒を適宜混合して試験管に加え、30℃の恒温槽に漬ける。試料片が浮く場合は、低密度であるn-ヘプタンを加える。一方、試験片が沈む場合は、高密度である二臭化エチレンを加える。この操作を繰り返して、試験片が液中に漂うようにする。最後に、液の密度をゲーリュサック比重瓶を用いて測定する。
上述のように求めたかさ密度ρbulkおよび真密度ρrealから、下記の式(X)を用いて空隙率Vf,pore(%)を求めることができる。
Vf,pore=((1/ρbulk)-(1/ρreal))/(1/ρbulk)×100(%)
・・・(X)
炭素フォームについて、厚み方向をx軸となるようにして、X線CTによる構造解析を行った。具体的には、X線画像を撮像しやすくするため、実施例の各々に無電解銅めっきを行った後、試験片(サンプル)を採取し、高分解能3DX線顕微鏡nano3DX(株式会社リガク製)を用いて、採取した試験片に対して構造解析を行った。具体的な無電解めっき条件、X線CT解析条件は以下の通りである。
得られた3次元画像を、半径2ピクセルのフィルタサイズにて3次元Median filterで隣接する1pixelにて処理し、大津のアルゴリズムを用いて二値化した。
続いて、JSOL社製のソフトウェアsimplewareのCenterline editor(Ver.7)をデフォルトの設定値で使用して、2.16μm以下の線をノイズとして除去した後、測定視野300μm×300μm×300μm内の結合部の数Nn、線状部の数Nlを検出した。
さらに、炭素フォームの厚み方向をx方向(x軸)、前記x方向に垂直な方向をy方向(y軸)、前記x方向及び前記y方向に垂直な方向をz方向(z軸)とし、前記測定視野内の各線状部のベクトルを算出し、各ベクトルのx軸に対する配向度の平均値θavex(deg)、y軸に対する配向度の平均値θavey(deg)、z軸に対する配向度の平均値θavez(deg)を算出した。その際、配向角度は90度以内となるように変換した。
サンプルをOPCコンディクリーンMA(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)に70℃で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPCプリディップ49L(奥野製薬工業社製、10mL/Lに蒸留水で希釈、98%硫酸を1.5mL/L添加)に70℃で2分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPCインデューサー50AM(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)及び、OPCインデューサー50CM(奥野製薬工業社製、100mL/Lに蒸留水で希釈)を1:1で混合した溶液中に45℃で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPC-150クリスタMU(奥野製薬工業社製、150mL/Lに蒸留水で希釈)に室温で5分間浸漬した後、蒸留水で1分間洗浄した。続いてOPC-BSM(奥野製薬工業社製、125mL/Lに蒸留水で希釈)に室温で5分間浸漬した。続いて化学銅500A(奥野製薬工業社製、250mL/Lに蒸留水で希釈)及び、化学銅500B(奥野製薬工業社製、250mL/Lに蒸留水で希釈)を1:1で混合した溶液中に室温で10分間浸漬した後、蒸留水で5分間洗浄した。その後90℃で12時間真空乾燥を行い、水分を乾燥させた。
X線ターゲット:Cu
X線管電圧:40kV
X線管電流:30mA
[撮影条件]
投影数:1500枚
回転角度:180°
露光時間:20秒/枚
画素数:1648×1202ピクセル
画素サイズ:0.54μm/ピクセル
観察領域サイズ:624μm×624μm×H600μm
上記構造解析により、結合部の数Nn、線状部の数Nl、互いに直交する3方向(x、y、z)に対する配向角度の平均値(deg)および結合部の密度(結合部の数Nn/mm3)を求めた。
得られた結果を表1に示す。
表1におけるθc(deg)は、θavex、θavey、θavezの中の最大値と最小値との差を求めたもので、θd(deg)は、θavexとθavey又はθavezとの差のうち、小さい値を求めたものである。
上記[X線CTによる構造解析]で撮像した3次元画像を、半径2ピクセルのフィルタサイズで3次元Median filterで隣接する1pixelにて処理し、大津のアルゴリズムを用いて二値化した。さらに、炭素フォームの厚さ方向の断面画像(炭素フォームの厚さ方向に垂直に切断した断面の画像)の解析領域(624μm×624μm)内で、画像処理ソフトImageJの粒子解析機能を使用して、解析領域内の連続する炭素部分の個数、連続する炭素部分の面積の総和を検出し、下記式のとおり解析領域の面積で除することにより、1μm×1μmあたりの炭素頻度、および解析領域面積当たりの炭素面積比率を算出した。同様の操作を、炭素フォームの厚さ方向の断面画像1152枚(0.54μm/ピッチで取得)について繰り返し行い、全領域で得られた測定値の平均値を算出して平均炭素頻度、平均炭素面積比率を求めた。
なお、解析の際、画像端の領域を含めた解析条件で算出した。また、平均を算出する際は、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上である断面画像を用いて算出した。
炭素頻度(μm-2)=連続する炭素部分の個数/解析領域の面積
炭素面積比率=連続する炭素部分の総面積/解析領域の面積
[画像処理条件]
画素数:1152×1202ピクセル
画素サイズ:0.54μm/ピクセル
厚さ方向:1152枚(0.54μm/ピッチ)
使用ソフト:ImageJ 1.50i
上述の炭素フォームの炭素頻度について、厚さ方向の各断面画像で得られた炭素頻度の標準偏差を求めた。その際、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上となる断面画像を用いて求めた。
上述の炭素フォームの炭素面積比率について、厚さ方向の各断面画像で得られた炭素面積比率の標準偏差を求めた。その際、サンプルとなる炭素が存在しない領域を除くため、解析領域での炭素面積比率が0.01以上となる断面画像を用いて求めた。
カソード拡散層を構成する繊維状炭素の平均繊維径dave(μm)は、走査型電子顕微鏡像を画像解析することによって求める。具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍の倍率で炭素電極を観察する。得られた観察像から、繊維状炭素の太さを無作為に20か所測定する。断面形状が円形であると仮定して、この平均太さを平均繊維径daveとする。
カソード拡散層の炭素含有率は製の蛍光X線分析によって求めた。35mm角に切断したサンプルを、X線照射径30mmφ用のサンプルホルダーにセットした後、株式会社リガク製の蛍光X線分析装置ZSX-100E(波長分散型、Rh管球)を用いて測定を行った。X線照射径30mmφで全元素半定量分析を行い、全元素中の炭素含有率(wt%)を決定した。
カソード拡散層の表面の元素組成をX線光電子分光計(アルバックファイ社製、VersaProbe II)を用いて測定した。このとき、主要な元素のピークとして285eV近傍のC1sピーク、400eV近傍のN1sピーク、533eV近傍のO1sピーク、400eV近傍のN1sピークの相対元素濃度atomic%(以下、「at%」)を計算し、百分率で計算した。それ以外の元素ピークで大きな検出強度を持つピークがあれば、それも含めて百分率で計算した。
実施例1~13および比較例1~3によるカソード拡散層の(002)面の回折から結晶子サイズLc(nm)を評価した。サンプルを乳鉢で粉砕した後、卓上X線回折装置 D2 PHASER(Bluker社製)を用いて粉砕したサンプルの広角X線測定を行った。具体的な測定条件は以下の通りである。
[測定条件]
線源:Cu Kα
管電流:30mA
管電圧:40kV
スリット:1mm
試料回転速度:10回転/min
1ステップの測定時間:0.3sec
開始角度(2θ):5.00°
測定ステップ(2θ):0.01°
終了角度(2θ):90.00°
上記測定後、得られたデータを解析し、結晶子サイズLc(nm)を算出した。結晶子サイズLcの算出には2θ=25度の付近に現れる(002)面の回折ピークの半値幅β、ピーク最大値の角度θを下記のScherrerの式(c)に代入して求めることができる。一般的に高い温度で炭素化するほど高い結晶性を有し、Lcの値が大きくなる。
Lc=(Kλ)/βcosθ・・・(c)
ここでKは形状因子、λは線源の波長を表す。形状因子は(002)面回折であるため、0.90を代入する。線源は今回CuKαを用いているため、1.541を代入して計算を行った。
2000℃という高温で熱処理した場合、1100℃の時と比較して、結晶性が高くなり、より大きなLcを示す。
カソード拡散層のテーバ曲げ剛さ(gf・cm)は、熊谷理機工業株式会社製テーバスティフネステスターNo.2048-Dを用いて、JIS P 8125-2000に従って求めた。幅38mmの短冊状に切り出したサンプルを、自由長が60mmとなるように把持した。これを±15°となるように曲げたときの荷重の平均値から曲げ剛さを求めた。
電解質膜およそ0.02~0.10gを50mLの25℃飽和NaCl水溶液(0.26g/mL)に浸漬し、攪拌しながら30分間放置した後、フェノールフタレイン(和光純薬工業株式会社製、試薬特級)を指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、試薬特級)を用いて中和滴定した。中和後得られたNa型イオン交換膜を純水ですすいだ後、真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの当量をM(mmol)、Na型イオン交換膜の質量をW(mg)とし、下記式より当量質量当量質量EW(g/当量)を求めた。
当量質量EW=(W/M)-22
以上の操作を5回繰り返した後、算出された5つのEW値の最大値及び最小値を除き、3つの値を相加平均して測定結果とした。
延伸処理した電解質膜を23℃、相対湿度65%の恒温室で12時間以上静置した後、接触式の膜厚計(株式会社東洋精機製作所製)を用いて延伸後膜厚(μm)を測定した。
クレーズ面積率は、任意のX軸方向と、当該X軸に直交するY軸方向に移動できる自動ステージと可視光分光光度計「uSight-2000」(製品名、Technospex社製)を備えた光学顕微鏡を用いて測定した可視光の透過率マッピングから求めた。直径1μmに集光させた光を、ステップ間隔1μmにて移動させて、延伸膜の縦75mm×横50mm範囲の可視光の透過率をマッピングした。測定する可視光の波長範囲は450-700nmとした。マッピングした全面積に対する透過率10%以下の領域の面積の比をクレーズ面積率(%)とした。
電解質膜の平坦性は、膜の投影寸法に対する膜面に沿った長さの比の大小によって評価した。膜面に沿った長さは、読み取り顕微鏡を用いて測定した膜面の高さ―位置プロファイルから求めた。具体的には、約140mm四方に切り出した膜の膜面の高さを、X軸方向に5mm間隔にて25点測定した。膜面の高さ―位置プロファイルをスプライン関数にて近似し、数値計算によって膜面に沿った長さを求め、下記式により平坦性指数を求め、以下の基準で評価した。
平坦性指数 = 膜面に沿った長さ/膜の投影寸法
A:1.05未満
B:1.05以上1.1未満
C:1.1以上1.2未満
D:1.2以上
イオンクラスター径(nm)は、小角X線散乱(SAXS)により測定した。電解質膜を25℃水中で24hr浸漬し、水に浸漬した状態で膜面方向、及び膜面に垂直な方向からポイントフォーカスのX線を入射して透過散乱光を検出した。測定には小角X線散乱測定装置「Nano Viewer」(株式会社リガク製)を使用し、小角領域は試料―検出器間距離841mmで検出器「PILATUS100K」(株式会社リガク製)を用い、広角領域は試料と検出器との距離75mm、検出器にイメージングプレートを用いて測定を行い、両プロフィールを合体させることにより0.1°<散乱角(2θ)<30°の範囲の散乱角における散乱データを得た。
電解質膜の膜面内配向パラメータ及び膜面外配向パラメータは、前述の方法にしたがって測定した二次元小角散乱における、イオンクラスターに由来するピークの方位角方向強度分布I(φ)を、下記式に示す配向関数を用いて近似することによって求めた。
膜面内配向パラメータを求めるときは、X方向をφ=0とした。したがって、イオンクラスターがX方向に完全配向するとqは1となるのに対して、Y方向に完全配向するとqは-1となる。一方、配向がランダムなときは、qは0となる。
膜面外配向パラメータを求めるときは、膜の法線方向をφ=0とした。したがって、イオンクラスターが法線方向に完全配向するとqは1となるのに対して、膜面方向に完全配向するとqは-1となる。一方、配向がランダムなときは、qは0となる。
結晶長周期(nm)は、前述の方法に従って得た一次元SAXSプロフィールにおいて、散乱ベクトル0.1~1.0nm-1の範囲に生じる、結晶と非晶の電子密度差の周期性に由来するピークの位置から、ブラッグの式を用いて求めた。
一方、ピーク強度はベースライン強度に対する、ピークトップ強度とベースライン強度の差の比として定義した。なお、ピークが検出できなかったものは、強度の差が検出できないものとして、「-」と記載した。
電解質膜を、50℃以下、減圧下で2時間乾燥し、含水率を1質量%以下に調整したものを、一片7cmの正方形に切り出し、試験用電解質膜を調製した。当該試験用電解質膜を25℃の2Mの硫酸水溶液に30分浸漬させた。浸漬後の試験用電解質膜のX方向及びY方向の寸法を読取り顕微鏡「D2XY-KSH」(製品名、株式会社日本光器製作所製)を用いて測定し、寸法変化率を下記の式にて算出した。なお、X方向は、膜面上の任意に選択される方向であり、Y方向は、膜面上でX方向に垂直な方向を意味する。
寸法変化率(%)={(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)}×100
電解質膜を、50℃以下、減圧下で2時間乾燥し、含水率を1%以下に調整したものを、一片7cmの正方形に切り出し、試験用電解質膜を調製した。当該試験用電解質膜を25℃の蒸留水に30分浸漬させた。浸漬後の試験用電解質膜のX方向、Y方向及びZ方向の寸法を読取り顕微鏡「D2XY-KSH」(製品名、株式会社日本光器製作所製)を用いて測定し、寸法変化率を下記の式にて算出した。なお、X方向は、膜面上の任意に選択される方向であり、Y方向は、膜面上でX方向に垂直な方向を意味する。Z方向は、X方向及びY方向に直交する方向を意味する。
寸法変化率(%)={(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)}×100
突刺し強度は突刺し試験機「Puncture Strength Tester SPK-NDA1-A」(製品名、カトーテック株式会社製)を用いて、室温にて12時間以上放置した電解質膜について測定した。直径10mmの円形の穴が開いた2枚の金属板に挟んだ電解質膜を、曲率半径0.5mmの針にて、速度2mm/secにて突刺した。荷重―変位曲線の最大荷重(kgf)を電解質膜の厚さ(μm)によって除して、突き刺し強度(kgf/μm)を求めた。
電解質膜のYI値の測定は、日本電色工業株式会社製「Spectrophotometer:SE600」にて、D65光源を用い、透過により測定した。電解質膜は、75μmの厚みのものを用い、一片5cmの正方形に切り出した膜を使用した。
本実施例では、以下2種類の構造を有するパーフルオロカーボン重合体を使用した。
下記式(P1)で表される構造を含むパーフルオロカーボン重合体
―[CF2CF2]―[CF2-CF(-O-CF2CF2-SO3H)]- (P1)
下記式(P2)で表される構造を含むパーフルオロカーボン重合体
―[CF2CF2]―[CF2-CF(-O-CF2CFCF3-O-CF2CF2-SO3H)]- (P2)
カソード拡散層にはBASF社製メラミン樹脂フォームBASOTECT G+を炭素化して作製した炭素フォームを用いた。メラミン樹脂フォーム(寸法:90mm×120mm×25mm)上に厚さ6mmの炭素繊維不織布とその上に黒鉛板を載置して、280Paの圧縮荷重を印加し、この圧縮荷重を印加した状態でメラミン樹脂フォームを熱処理炉内に導入した。続いて、炉内に窒素ガスを流量:2.5L/分で供給し、炉内の温度を昇温速度:5℃/分で1100℃まで昇温した後、1時間保持してメラミン樹脂フォームを炭素化した。その後、炉内の温度を室温まで降温し、炉から炭素化したメラミン樹脂フォームを取り出した。得られたカソード拡散層(炭素フォーム)は連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。
電解質膜にはパーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=750g/eq)からなる厚さ75μmの膜を、70℃の蒸留水に30分間浸漬、洗浄する操作を4回繰り返し、100℃で20分間乾燥させたものを、延伸することなくそのまま用いた。
トルエン電解水素化試験は、電極面積が2×2cmであるミックラボ社製電解セルを用いて行った。カソードおよびアノードプレートには、それぞれ硫酸およびトルエンを流通させるための平行型流路を形成し、表面には電解による腐食を抑制するため金メッキを施した。また、セル温度を制御するための棒状ヒーターを挿入できる構造とした。セルを構成する部材を、カソード側から以下の順に積層したのち、ボルトを所定のトルクにて締結することによってセルを組み立てた。
カソードプレート/炭素フォーム/カソード触媒層-膜接合体/アノード触媒電極/アノード拡散層/アノードプレート
アノード触媒電極、およびアノード拡散層には、それぞれ市販の酸素発生用電極(酸化イリジウム系触媒被覆チタン電極)、およびベカルト東綱メタルファイバー株式会社製チタン繊維焼結体2GDL5-030(厚さ300μm)を用いた。カソードプレートと膜の間に用いるガスケットは、セルに組み込んだ際の炭素フォームの厚さが250μmとなるように、その厚さを調節した。
カソード触媒層-膜接合体は、スプレー塗工にて作製したカソード触媒層と膜をホットプレスによって接合するデカール法を用いて作製した。まず、白金-ルテニウム担持炭素触媒粒子(田中貴金属工業株式会社製、固体高分子型燃料電池用標準触媒、耐一酸化炭素被毒触媒標準品TEC 61E54-Pt及びRu含有量54質量%(Pt:Ru=1:1.5)担持触媒(担体Ketjenblack EC)、以下「Pt/Ru-C触媒」という。)0.50g、蒸留水2.00g、シグマアルドリッチ社製ナフィオン117溶液(濃度5wt%)5.00gをジルコニア製ポットに入れ、遊星ボールミルにて混合してカソード触媒インクを調製した。次に、カソード触媒インクを、株式会社エーシングテクノロジーズ製小型スプレー塗布装置AV-8型を用いて、テフロン(登録商標)シート状に目付0.5mgcm-2となるように塗布することによって陰極触媒層を作製した。最後に、膜と陰極触媒層を140℃にて2minホットプレスしたのち、基材であるテフロン(登録商標)シートをはく離することによってカソード触媒層-膜接合体を作製した。
[電解試験]
上述の手順にしたがって組み立てた電解セルについて、以下の手順にしたがって電解試験を行った。まず、アノードおよびカソードに、それぞれ1M H2SO4および100%トルエンを、いずれも流速2mlmin-1にて流通させた。次に、セルを60℃に加熱したのち、電流密度0.1Acm-2の一定電流を2hr通電することによってセルをエージングした。その後、電流密度を0.1Acm-2幅にて0.5Acm-2まで増大させた。
電流密度0.5Acm-2におけるセル電圧にて対する、トルエンの電解水素化の熱中性電圧1.138Vの比を電圧効率(%)とした。
一方、電流効率(%)は、所定の電流密度にて一定時間電解したカソードのトルエン中のメチルシクロヘキサン濃度を、ガスクロマトグラフィーにて定量することによって求めた。
そして、上記電圧効率(%)と上記電流効率(%)との積であるエネルギー効率(%)も算出した。
図3は、実施例1に用いた炭素フォームのSEM画像である。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを4mm、炭素化においてメラミンフォームに印加する圧縮荷重を70Paとしたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを30mm、炭素化においてメラミンフォームに印加する圧縮荷重を630Paとしたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
炭素化温度を2000℃としたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを3mm、炭素化においてメラミンフォームに印加する圧縮荷重を70Pa、炭素化温度を2000℃としたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを2mm、炭素化においてメラミンフォームに印加する圧縮荷重を18Pa、炭素化温度を1500℃としたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォーム(寸法:90mm×120mm×40mm)を、250mm角の黒鉛板の上にサンプルを置き、サンプルの横にスペーサーとして厚み0.5mmの150mm×20mmSUS板を置き、上から更に黒鉛板を置いてサンプルとスペーサーを挟み込んだ。この黒鉛板に挟み込んだ状態で北川精機社製真空プレス機(KVHC-II)内に導入し、真空ポンプで真空減圧しながら設定圧力2.0MPaで押圧した。減圧を続けながら昇温速度:5℃/分で360℃まで昇温した後、10分間保持してから冷却を行った。サンプルを取り出した後、実施例6と同様に再度サンプル上に黒鉛板を載置して、18Paの圧縮荷重を印加し、この圧縮荷重を印加した状態で熱処理炉内に導入して、1500℃で熱処理を行い、実施例7による炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。膜の作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=950g/eq)からなる厚さ300μmの原料膜を、70℃の蒸留水に30分間浸漬、洗浄する操作を4回繰り返し、100℃で20分間乾燥させたものを、バッチ式二軸延伸機「IMC-1AA6」(製品名、井元製作所株式会社製)を用いて同時二軸延伸により、延伸した。直交するX方向及びY方向いずれも92.5mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が72.5mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が140℃に到達後3min経過したら、延伸速度100mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が0.5%となるように、チャック間隔を0.7mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.0の二軸延伸電解質膜を得た。炭素フォームの作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P2)、当量質量EW=1100g/eq)からなる厚さ470μmの原料膜を70℃の蒸留水に30分間浸漬、洗浄する操作を4回繰り返し、100℃で20分間乾燥させたものを、二軸延伸した。直交するX方向及びY方向いずれも78mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が58mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が100℃に到達後3min経過したら、延伸速度100mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が0.5%となるように、チャック間隔を0.7mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.5の二軸延伸電解質膜を得た。炭素フォームの作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=950g/eq)からなる厚さ630μmの原料膜を70℃の蒸留水に30分間浸漬、洗浄する操作を4回繰り返し、100℃で20分間乾燥させたものを、二軸延伸した。直交するX方向及びY方向いずれも70mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が50mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が140℃に到達後3min経過したら、延伸速度100mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が1.0%となるように、チャック間隔を1.4mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、そのチャック間隔のまま、再び膜を140℃にて5min加熱した。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.9のヒートセットされた二軸延伸電解質膜を得た。炭素フォームの作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを2mm、炭素化においてメラミンフォームに荷重を印加しなかったこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。得られた炭素フォームのかさ密度は0.006gcm-3と小さな値であったが、厚さ1000μmの炭素フォームを250μmまで圧縮してセルに組み込むことによって、十分な電気的接触と導通を得ることができた。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
原料のメラミン樹脂フォームの厚さを2mm、炭素化においてメラミンフォームに荷重を印加しなかったこと、炭素化温度を2000℃としたこと以外は、実施例1と同様に炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ2μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であった。その他、膜の作製方法、および電解試験方法も実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維ペーパ(SIGRACET GDL39AA)を用いた。一方、膜については実施例8と同じ二軸延伸膜を用いた。それ以外の電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維ペーパ(SIGRACET GDL39AA)を用いた。一方、膜については、パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=950g/eq)からなる厚さ300μmの原料膜を70℃の蒸留水に30分間浸漬、洗浄する操作を2回繰り返し、100℃で20分間乾燥させたものを、バッチ式二軸延伸機「IMC-1AA6」(製品名、井元製作所株式会社製)を用いて同時二軸延伸により、延伸した。直交するX方向及びY方向いずれも92.5mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が72.5mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が140℃に到達後3min経過したら、延伸速度25mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が0.5%となるように、チャック間隔を0.7mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.0の二軸延伸電解質膜を得た。
それ以外の電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維ペーパ(SIGRACET GDL39AA)を用いた。一方、膜については、パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=950g/eq)からなる厚さ300μmの原料膜を蒸留水での洗浄をせずに、バッチ式二軸延伸機「IMC-1AA6」(製品名、井元製作所株式会社製)を用いて同時二軸延伸により、延伸した。その際、延伸時の加熱チャンバー内を、密閉から50L/秒で排気するようにした。直交するX方向及びY方向いずれも92.5mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が72.5mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が140℃に到達後3min経過したら、延伸速度100mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が0.5%となるように、チャック間隔を0.7mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.0の二軸延伸電解質膜を得た。
それ以外の電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維ペーパ(SIGRACET GDL39AA)を用いた。それ以外の膜の作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維不織布(SIGRACELL GFD4.6EA)を用いた。陰極プレートと膜の間にテフロン(登録商標)板を挟むことによって、セルに組み込んだ時の炭素繊維不織布の厚さが3mmとなるように調節した。それ以外の膜の作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。炭素フォームや炭素繊維ペーパと比べて、厚さが大幅に大きい炭素繊維不織布については、テーバ曲げ剛さを正しく測定することができなかった。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にBoyd Corp.製ポリイミド発泡体SOLIMIDEを、実施例1と同様に1100℃にて炭素化して得た炭素発泡体を用いた。この炭素発泡体は、図4に示す走査型電子顕微鏡像からわかるように、線状部と結合部からなる構造ではなく、波打った炭素薄膜が重なった、いわゆるカードハウス構造であった。それ以外の膜の作製方法、および電解試験方法は実施例1と同様とした。
図4は、比較例3に用いた炭素フォームのSEM画像である。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
BASF社製メラミン樹脂フォームBASOTECT G+を室温の2M硫酸に浸漬させ、1週間静置した。その後蒸留水で洗浄し、洗浄液が中性になったことを確認した。その後、実施例1と同様に炭素フォームを作成した。得られた炭素フォームは連続空隙からなり、繊維径がおよそ0.4μmの線状部と、それらが結合した結合部からなる構造であったが、非常に強度が弱く、電解セルに組み込むことができなかった。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
カソード拡散層にSGL CARBON製炭素繊維ペーパ(SIGRACET GDL39AA)を用いた。一方、膜については、パーフルオロカーボン重合体(ポリマー構造:式(P1)、当量質量EW=950g/eq)からなる厚さ300μmの原料膜を蒸留水での洗浄操作を実施せずに、バッチ式二軸延伸機「IMC-1AA6」(製品名、井元製作所株式会社製)を用いて同時二軸延伸により、延伸した。直交するX方向及びY方向いずれも92.5mmに切り出した原料膜を、X方向及びY方向のチャック間隔が72.5mmとなるよう延伸機に把持した。延伸機の加熱チャンバーの温度が140℃に到達後3min経過したら、延伸速度100mm/minにて同時二軸延伸を開始した。X方向及びY方向のチャック間隔が145mmに到達したら、延伸を停止し、膜をチャックに把持した状態で、直ちに加熱チャンバーを開放し冷却を開始した。同時に、X方向及びY方向の緩和率が0.5%となるように、チャック間隔を0.7mm狭めた。膜が室温まで冷却されたら、チャックから取り外し、X方向及びY方向の延伸倍率2.0の二軸延伸電解質膜を得た。
それ以外の電解試験方法は実施例1と同様とした。
本例の諸条件は、表1~表3に記載のとおりである。
Claims (21)
- 連続空隙を有する多孔体であり、線状部と該線状部を結合する結合部とを有し、前記線状部の平均繊維径が0.5μm以上4.0μm以下である炭素フォームを含む、有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、JIS P8125に準拠して測定されるテーバ曲げ剛さが1.0以上50.0gf・cm以下である、請求項1に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、少なくとも一部において前記結合部の密度が20,000個/mm3以上であり、粉末X線回折測定における(002)面の回折から、結晶子サイズが1.50nm以上となる、請求項1または2に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、平均炭素頻度が0.0004~0.0035μm-2である、請求項1に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、炭素頻度の標準偏差が0.0005以下である、請求項4に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、平均炭素面積比率が0.010~0.300である、請求項4又は5に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- 前記炭素フォームが、炭素面積比率の標準偏差が0.030以下である、請求項6に記載の有機ハイドライド製造用カソード拡散層。
- プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、かつ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層、及び請求項1、2、4、または5のいずれか1項に記載のカソード拡散層が設けられた、有機ハイドライド製造用電解セル。
- プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、かつ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層、及び請求項6に記載のカソード拡散層が設けられた、有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上であり、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、請求項8に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
<蒸留水浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100 - 前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上であり、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、請求項9に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
<蒸留水浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100 - 前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される結晶長周期のピーク強度が0.5以下である、請求項10または11に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、クレーズ面積率が1.5%以下である、請求項10または11に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、クレーズ面積率が1.5%以下である、請求項12に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満である、有機ハイドライド製造用電解セル。
<2M硫酸水溶液浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を2M硫酸水溶液に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向及び前記X方向に直交するY方向の寸法変化率を下記式にて算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100 - プロトン伝導性の固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に水を酸化してプロトンを生成させるアノード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に被水素化物を還元するカソード触媒層が設けられ、前記固体高分子電解質膜が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体であり、イオン交換基の当量質量EWが600g/eq以上2000g/eq以下であり、下記蒸留水浸漬による寸法変化率における、X方向及びY方向のうち少なくとも一方の寸法変化率が、80%以上100%未満であり、Z方向の寸法変化率が115%以上である、有機ハイドライド製造用電解セル。
<蒸留水浸漬による寸法変化率>
含水率1%以下の試験用電解質膜を調整し、前記試験用電解質膜を蒸留水に、25℃で30分間浸漬し、前記試験用電解質膜の面上のX方向、前記X方向に直交するY方向、並びに、前記X方向及び前記Y方向に直交するZ方向の寸法変化率を算出する。
寸法変化率(%)=(浸漬後の特定方向の寸法)/(浸漬前の特定方向の寸法)×100 - 前記固体高分子電解質膜のクレーズ面積率が1.5%以下である、請求項15又は16に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜のYI値が9.00以下である、請求項17に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される結晶長周期のピーク強度が0.5以下である、請求項17に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される結晶長周期のピーク強度が0.5以下である、請求項18に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
- 前記固体高分子電解質膜が、小角X線散乱で測定される膜面に垂直な方向のイオンクラスター径が3.0nm以上である、請求項19に記載の有機ハイドライド製造用電解セル。
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