JP2016213157A - Fuel battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery which is high in installation stability, and has a high power generation quantity by using a member with good workability for a battery.SOLUTION: A fuel battery according to the present invention comprises a battery member. The battery member includes a first carbon nanotube of 100 nm or more in average diameter, and a second carbon nanotube of 30 nm or less in average diameter. The battery member has a structure in which the second carbon nanotube sticks to the surface of the first carbon nanotube, and the second carbon nanotube extends over pieces of the first carbon nanotube.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

炭素材料は、電気伝導性、熱伝導性、耐食性、耐熱性、黒色着色性および薬品安定性など多くの面ですぐれた性能を有する。そのため、様々な用途に使用されている。特に燃料電池用部材としては、電極、ガス拡散層、集電体等種々の用途が考えられ高い注目を集めている。   The carbon material has excellent performance in many aspects such as electrical conductivity, thermal conductivity, corrosion resistance, heat resistance, black colorability, and chemical stability. Therefore, it is used for various purposes. In particular, as a member for a fuel cell, various uses such as an electrode, a gas diffusion layer, and a current collector are conceived and attracts high attention.

炭素材料はシート上に加工された状態で使用されることが多い。例えば、特許文献1及び特許文献2には、カーボンファイバー(PAN系炭素繊維)を含むカーボンフェルト(不織布)やカーボンフリース等が記載されている。   Carbon materials are often used in a state of being processed on a sheet. For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 describe carbon felt (nonwoven fabric) including carbon fiber (PAN-based carbon fiber), carbon fleece, and the like.

この他にも、比較的硬い樹脂等の上にカーボン膜を形成したシート等も知られている。   In addition, a sheet in which a carbon film is formed on a relatively hard resin or the like is also known.

特許第3560181号公報Japanese Patent No. 3560181 国際公開第2014/033238号International Publication No. 2014/033238

しかしながら、取り付け安定性が高くかつ作業性の良い電池用部材を得ることができず、高い発電量を有する燃料電池を得にくかった。   However, it was difficult to obtain a battery member having high mounting stability and good workability, and it was difficult to obtain a fuel cell having a high power generation amount.

例えば、特許文献1及び2に記載のカーボンフェルトやカーボンフリース等は、圧力に対する体積変化率が非常に大きい。そのため、高い加工精度を得ることができず、取り付け精度が低くなる。また圧縮させながら所定のケース、留め具、パッキン等に詰め込む必要があり、非常に作業性が悪い。   For example, the carbon felt and the carbon fleece described in Patent Documents 1 and 2 have a very large volume change rate with respect to pressure. Therefore, high processing accuracy cannot be obtained, and mounting accuracy is lowered. Moreover, it is necessary to pack in a predetermined case, a fastener, packing, etc., compressing, and workability | operativity is very bad.

また比較的に硬いカーボンシートは、体積変化率が少ない。そのため、カーボンシートを所定のケース、留め具、パッキン等の嵌めこみ部分とほぼ同一のサイズに加工する必要がある。カーボンシートは硬いため、比較的加工しやすい。しかしながら、この加工精度を実現することは難しい。また設置したカーボンシートと嵌めこみ部分との間に、隙間が生じやすい。そのため、電池用部材として用いる際にリーク等の発生が懸念される。   A relatively hard carbon sheet has a small volume change rate. Therefore, it is necessary to process the carbon sheet into a size substantially the same as that of a predetermined case, fastener, packing, or the like. Since the carbon sheet is hard, it is relatively easy to process. However, it is difficult to realize this processing accuracy. Further, a gap is likely to be generated between the installed carbon sheet and the fitting portion. For this reason, there is a concern about the occurrence of leakage or the like when used as a battery member.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、取り付け安定性が高くかつ作業性の高い電池用部材を用いることで高い発電量を有する燃料電池を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to obtain a fuel cell having a high power generation amount by using a battery member having high attachment stability and high workability.

本発明者らは、鋭意検討の結果、2種類のカーボンナノチューブが混在した炭素材料を用いることで、取り付け安定性が高くかつ作業性の良い燃料電池用部材を得られることを見出した。そして、この電池用部材を用いることで高い発電量を有する燃料電池を得ることができることを見出し、発明を完成させた。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that a fuel cell member having high mounting stability and good workability can be obtained by using a carbon material in which two types of carbon nanotubes are mixed. And it discovered that the fuel cell which has a high electric power generation amount could be obtained by using this battery member, and completed invention.

すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。   That is, this invention provides the following means in order to solve the said subject.

(1)本発明の一態様に係る燃料電池は、平均径100nm以上の第1のカーボンナノチューブと平均径30nm以下の第2のカーボンナノチューブとを含み、前記第1のカーボンナノチューブの表面に前記第2のカーボンナノチューブが付着し、前記第2のカーボンナノチューブが、複数の前記第1のカーボンナノチューブ間に跨った構造を有する電池用部材を用いる。 (1) A fuel cell according to an aspect of the present invention includes a first carbon nanotube having an average diameter of 100 nm or more and a second carbon nanotube having an average diameter of 30 nm or less, and the first carbon nanotube has a surface on the surface of the first carbon nanotube. A battery member having a structure in which two carbon nanotubes are attached and the second carbon nanotubes straddle a plurality of the first carbon nanotubes is used.

(2)上記(1)に記載の燃料電池において、前記電池用部材が電極として用いられていてもよい。 (2) In the fuel cell according to (1), the battery member may be used as an electrode.

(3)上記(1)に記載の燃料電池において、前記電池用部材がガス拡散層として用いられていてもよい。 (3) In the fuel cell according to (1), the battery member may be used as a gas diffusion layer.

(4)上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の燃料電池は、空気電池であってもよい。 (4) The fuel cell according to any one of (1) to (3) may be an air cell.

起電力の大きな燃料電池及び空気電池を実現することができる。   A fuel cell and an air cell with large electromotive force can be realized.

本発明の一態様に係る電池用部材の透過電子顕微鏡写真を示す。The transmission electron micrograph of the member for batteries concerning one mode of the present invention is shown. 本発明の一態様に係る電池用部材の斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of the member for batteries concerning one mode of the present invention. 電池用部材の製造方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the member for batteries. 本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る空気電池の斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of an air battery concerning one mode of the present invention. 乾燥状態と含浸状態の電池用部材の荷重に対する圧縮変位を測定した結果を示す。The result of having measured the compression displacement with respect to the load of the battery member of a dry state and an impregnation state is shown. 実施例2−1の電池用部材と、比較例2−2のカーボンフェルトをそれぞれ用いた空気電池の発電特性を測定した結果を示す。The result of having measured the electric power generation characteristic of the air cell which respectively used the member for batteries of Example 2-1 and the carbon felt of Comparative Example 2-2 is shown.

以下、本発明を適用した燃料電池(空気電池)について、を例に詳細に説明する。
以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で空気電池以外の燃料電池(例えば、マグネシウム燃料電池、微生物燃料電池等、固体高分子型燃料電池、直接酸化型燃料電池、グルコース燃料電池、メタノール型燃料電池、等)も含め適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, a fuel cell (air cell) to which the present invention is applied will be described in detail with reference to an example.
The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them. A fuel cell other than an air cell (for example, a magnesium fuel cell, a microorganism, and the like) is not limited to the gist thereof. The fuel cell and the like, including a polymer electrolyte fuel cell, a direct oxidation fuel cell, a glucose fuel cell, a methanol fuel cell, etc.) can be appropriately modified and implemented.

(電池用部材)
図1に本発明の一態様に用いる電池用部材の透過電子顕微鏡写真を示す。図2は、本発明の一態様に用いる電池用部材の斜視模式図である。電池用部材10は、平均径100nm以上の第1のカーボンナノチューブ1と平均径30nm以下の第2のカーボンナノチューブ2とを含み、第1のカーボンナノチューブ1の表面に第2のカーボンナノチューブ2が付着することで、第2のカーボンナノチューブ2が複数の第1のカーボンナノチューブ1間に跨った構造を有する。
(Battery materials)
FIG. 1 shows a transmission electron micrograph of a battery member used in one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view of a battery member used in one embodiment of the present invention. The battery member 10 includes a first carbon nanotube 1 having an average diameter of 100 nm or more and a second carbon nanotube 2 having an average diameter of 30 nm or less, and the second carbon nanotube 2 is attached to the surface of the first carbon nanotube 1. Thus, the second carbon nanotube 2 has a structure straddling the plurality of first carbon nanotubes 1.

第2のカーボンナノチューブ2が、複数の第1のカーボンナノチューブ1間に跨った構造となることにより、電池用部材10がその成形過程でバラバラになることなく形を維持することができる。また第2のカーボンナノチューブ2が、第1のカーボンナノチューブ1に跨っていることで、導電性の主となる第1のカーボンナノチューブ1間の空隙を、第2のカーボンナノチューブ2が埋めることができる。すなわち、電池用部材10の導電性を高めることができる。   Since the second carbon nanotube 2 has a structure straddling the plurality of first carbon nanotubes 1, the battery member 10 can be maintained in its shape without being separated during the molding process. Further, since the second carbon nanotubes 2 straddle the first carbon nanotubes 1, the second carbon nanotubes 2 can fill the gaps between the first carbon nanotubes 1 that are mainly conductive. . That is, the conductivity of the battery member 10 can be increased.

第2のカーボンナノチューブ2は、第1のカーボンナノチューブ1に絡まった構造であることがより好ましい。第1のカーボンナノチューブ1に第2のカーボンナノチューブ2が絡まることにより、電池用部材10はその形を維持しやすくなる。また、電池用部材10の導電性が更に向上する。   More preferably, the second carbon nanotube 2 has a structure entangled with the first carbon nanotube 1. When the second carbon nanotube 2 is entangled with the first carbon nanotube 1, the battery member 10 can easily maintain its shape. Further, the conductivity of the battery member 10 is further improved.

ここで、「跨った構造」とは、例えば、透過電子顕微鏡で電池用部材10を観察した際に、第1のカーボンナノチューブ1に跨った第2のカーボンナノチューブ2が確認できればよい。例えば任意の100本の第2のカーボンナノチューブ2を観察したとき、好ましくは10本以上、より好ましくはその50本以上の第2のカーボンナノチューブ2が複数の第1のカーボンナノチューブ1間を跨った構造の確認ができればよい。複数カ所を観察して、第2のカーボンナノチューブ2を100本観察するのでも構わない。例えば、10カ所について各々10本の第2のカーボンナノチューブを観察して、合計100本の第2のカーボンナノチューブを観察することにしてもよい。   Here, the “stretched structure” is sufficient if, for example, the second carbon nanotube 2 straddling the first carbon nanotube 1 can be confirmed when the battery member 10 is observed with a transmission electron microscope. For example, when arbitrary 100 second carbon nanotubes 2 are observed, preferably 10 or more, more preferably 50 or more second carbon nanotubes 2 straddle a plurality of first carbon nanotubes 1. It is sufficient if the structure can be confirmed. It is also possible to observe a plurality of locations and observe 100 second carbon nanotubes 2. For example, 10 second carbon nanotubes may be observed at 10 locations, and a total of 100 second carbon nanotubes may be observed.

第1のカーボンナノチューブ1は、その平均径が100nm以上であり、好ましくは100〜1000nmであり、より好ましくは100〜300nmである。第2のカーボンナノチューブ2は、その平均径が30nm以下であり、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは5〜20nmである。第1のカーボンナノチューブ1及び第2のカーボンナノチューブ2の繊維長は、いずれも1〜100μmであることが好ましい。   The first carbon nanotube 1 has an average diameter of 100 nm or more, preferably 100 to 1000 nm, and more preferably 100 to 300 nm. The second carbon nanotube 2 has an average diameter of 30 nm or less, preferably 1 to 30 nm, and more preferably 5 to 20 nm. The fiber lengths of the first carbon nanotube 1 and the second carbon nanotube 2 are preferably 1 to 100 μm.

第1のカーボンナノチューブ1および第2のカーボンナノチューブ2の大きさが上述の範囲であると、電池用部材10が高い強度および高い導電性を維持できる構造となる。これは、第1のカーボンナノチューブ1が幹となり、第2のカーボンナノチューブ2が、複数の第1のカーボンナノチューブ1間に枝状に懸架されるためである。例えば、第1のカーボンナノチューブ1の平均径が100nm以下であると、幹が不安定となり電池用部材10の構造に割れが生じる等の問題が生じ、十分な強度を保つことが難しくなる。一方で、第2のカーボンナノチューブ2の平均径が30nm以上であると、枝が剛直になりすぎ撓みにくくなるため、第2のカーボンナノチューブ2が十分に第1のカーボンナノチューブ1に絡まることができず、導電性が悪くなる。   When the size of the first carbon nanotube 1 and the second carbon nanotube 2 is in the above range, the battery member 10 has a structure that can maintain high strength and high conductivity. This is because the first carbon nanotube 1 serves as a trunk and the second carbon nanotube 2 is suspended in a branch shape between the plurality of first carbon nanotubes 1. For example, if the average diameter of the first carbon nanotubes 1 is 100 nm or less, the trunk becomes unstable, causing problems such as cracks in the structure of the battery member 10, and it becomes difficult to maintain sufficient strength. On the other hand, if the average diameter of the second carbon nanotubes 2 is 30 nm or more, the branches become too rigid and difficult to bend, so that the second carbon nanotubes 2 can be sufficiently entangled with the first carbon nanotubes 1. Therefore, the conductivity is deteriorated.

第1のカーボンナノチューブ1および第2のカーボンナノチューブ2の平均径は、電子顕微鏡にて100本以上の第1のカーボンナノチューブ1および第2のカーボンナノチューブ2の繊維の直径をそれぞれ測定し、その算術平均値としてそれぞれ求めることができる。   The average diameters of the first carbon nanotubes 1 and the second carbon nanotubes 2 are obtained by measuring the diameters of 100 or more fibers of the first carbon nanotubes 1 and the second carbon nanotubes 2 with an electron microscope. Each can be obtained as an average value.

第2のカーボンナノチューブ2は、100質量部の第1のカーボンナノチューブ1に対し、好ましくは1〜20質量部、より好ましくは4〜17質量部、さらに好ましくは8〜14質量部含まれる。第2のカーボンナノチューブ2がこの範囲で含まれれば、この電池用部材10の導電性が向上する。これは、第2のカーボンナノチューブ2がこの範囲で含まれていることで、第1のカーボンナノチューブ1が導電の主として機能し、さらに第2のカーボンナノチューブ2が、それぞれの第1のカーボンナノチューブ1間を電気的に繋ぎ、伝導を効率的にサポートするためと考えられる。   The second carbon nanotube 2 is contained in an amount of preferably 1 to 20 parts by mass, more preferably 4 to 17 parts by mass, and still more preferably 8 to 14 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the first carbon nanotubes 1. If the 2nd carbon nanotube 2 is contained in this range, the electroconductivity of this battery member 10 will improve. This is because the second carbon nanotubes 2 are included in this range, so that the first carbon nanotubes 1 mainly function as a conductor, and further the second carbon nanotubes 2 are respectively connected to the first carbon nanotubes 1. This is thought to be an electrical connection between them to efficiently support conduction.

電池用部材10は、水溶性導電性高分子を含むことが好ましい。水溶性高分子は、カーボンナノチューブ(第1のカーボンナノチューブ1及び第2のカーボンナノチューブ2)の表面に吸着し、元来撥水性のカーボンナノチューブの表面を親水化する。カーボンナノチューブの表面が親水化することで、電池用部材10が溶媒を含浸しやすくなる。親水化は、カーボン材料の表面にOH基、COOH基等を導入しても実現することができる。電池用部材10の内部まで十分に親水化するという点からは、水溶性導電性高分子を電池用部材10に含ませることが特に好ましい。電池用部材10の親水性が高いと、電池用部材10を溶液中で用いる際に、プロトンの移動性が高くなる、導電性が高くなる、電解液の保持が容易になる等の利点がある。導電性が高まるのは、カーボンナノチューブで形成される電極の細部にまで電解液が浸透し、効率よく電極反応を起こすためである。また電池用部材10の親水性が高いと、電池用部材10を空気電池等のガス拡散層として用いた際に、電池用部材10を介して外部から供給されるガスを電解質へ溶解させることが容易になる。   The battery member 10 preferably contains a water-soluble conductive polymer. The water-soluble polymer is adsorbed on the surfaces of the carbon nanotubes (the first carbon nanotube 1 and the second carbon nanotube 2), and hydrophilizes the surface of the originally water-repellent carbon nanotube. By making the surface of the carbon nanotube hydrophilic, the battery member 10 is easily impregnated with the solvent. Hydrophilization can also be realized by introducing OH groups, COOH groups, etc. on the surface of the carbon material. In view of sufficiently hydrophilizing the inside of the battery member 10, it is particularly preferable to include a water-soluble conductive polymer in the battery member 10. When the battery member 10 has high hydrophilicity, there are advantages in that, when the battery member 10 is used in a solution, the proton mobility increases, the conductivity increases, and the electrolytic solution can be easily retained. . The reason why the conductivity is increased is that the electrolytic solution penetrates into the details of the electrode formed of the carbon nanotubes and efficiently causes the electrode reaction. Further, when the battery member 10 has high hydrophilicity, when the battery member 10 is used as a gas diffusion layer such as an air battery, the gas supplied from the outside through the battery member 10 can be dissolved in the electrolyte. It becomes easy.

水溶性導電性高分子としては、スルホ基を有する導電性高分子が好ましく、ポリイソチアナフテンスルホン酸がより好ましい。水溶性導電性高分子がスルホ基を有すると、自己ドープ型導電性高分子となり安定した導電性を発現することが可能である。またスルホ基は親水性基でもあるため、溶液中で用いる電極として使用する際に、電解質との親和性が高いという利点を有する。中でもイソチアナフテン骨格はベンゼン環を有するためπ電子を持ち、電極を構成するカーボンナノチューブの骨格のπ電子との親和性が高いため、ポリイソチアナフテンスルホン酸がより好ましい。   As the water-soluble conductive polymer, a conductive polymer having a sulfo group is preferable, and polyisothianaphthenesulfonic acid is more preferable. When the water-soluble conductive polymer has a sulfo group, it becomes a self-doped conductive polymer and can exhibit stable conductivity. In addition, since the sulfo group is also a hydrophilic group, it has an advantage of high affinity with an electrolyte when used as an electrode used in a solution. Among them, the isothianaphthene skeleton has a benzene ring and thus has π electrons, and polyisoisothianaphthene sulfonic acid is more preferable because of its high affinity with the π electrons of the skeleton of the carbon nanotube constituting the electrode.

電池用部材10は、第1のカーボンナノチューブ1と第2のカーボンナノチューブ2の間に隙間を有する。この隙間は、第1のカーボンナノチューブ1と第2のカーボンナノチューブ2の直径が非常に小さいため、僅かな空間である。そのため電池用部材10は、荷重を加えてもあまり体積変化を生じない。つまり、電池用部材10は乾燥状態では、高い加工精度で加工できる程度の硬さを有する。また電池用部材10が硬ければ、取り扱いが容易になる。そのため、所定の位置に取り付けようとした際の取り付け精度も高めることができる。
さらに、電池用部材10は、機械的強度を得やすくするため、カーボン短繊維を含むことが好ましい。電池用部材10中のカーボン短繊維は、第1のカーボンナノチューブ1と第2のカーボンナノチューブ2の合計質量100部に対して5〜50質量部であることがより好ましい。
The battery member 10 has a gap between the first carbon nanotube 1 and the second carbon nanotube 2. This gap is a small space because the diameters of the first carbon nanotube 1 and the second carbon nanotube 2 are very small. Therefore, the battery member 10 does not change much in volume even when a load is applied. That is, the battery member 10 has a hardness that can be processed with high processing accuracy in a dry state. Moreover, if the battery member 10 is hard, handling becomes easy. For this reason, it is possible to improve the attachment accuracy when attaching to a predetermined position.
Furthermore, the battery member 10 preferably includes carbon short fibers in order to easily obtain mechanical strength. The carbon short fibers in the battery member 10 are more preferably 5 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total mass of the first carbon nanotubes 1 and the second carbon nanotubes 2.

電池用部材10の体積変化量として具体的には、乾燥状態で150N/cmの荷重を加えた際の圧縮変位量が、その荷重を加えた向きの厚さの50%以下であることが好ましい。荷重を加えた向きの厚さ変化量がこの範囲内であれば、加工における作業性や取り付け時における作業性をより高い精度で行うことができる。 Specifically, the volume change amount of the battery member 10 is such that the amount of compressive displacement when a load of 150 N / cm 2 is applied in a dry state is 50% or less of the thickness in the direction in which the load is applied. preferable. If the amount of change in thickness in the direction in which a load is applied is within this range, workability during processing and workability during attachment can be performed with higher accuracy.

また、電池用部材10は湿潤すると、柔らかくなる。ここで、湿潤とは、電池用部材10内に溶媒が含浸されている状態、または電極用部材10内部は気体で充填されているが、その気体の湿度が70%以上である状態を意味する。
電池用部材10は乾燥状態では硬く、湿潤状態では乾燥状態と比較して柔らかいため、乾燥状態と湿潤状態で加圧時の圧縮変位量が異なる。人が作業する段階(加工、組み込み、取り付け作業等)では、電池用部材10は乾燥している。作業時における取扱いの観点からは、電極用部材10は硬いことが好まれる。これに対し、取り付け部分に対する密着性、外力による破損を抑制する面から柔らかいことが好まれる。電池用部材10は、乾燥状態と湿潤状態で加圧時の圧縮変位量が異なることで、乾燥状態における取扱いの容易さと、湿潤状態における取付け部に対する密着性を得ることができる。
Further, the battery member 10 becomes soft when wet. Here, the wet means that the battery member 10 is impregnated with a solvent, or the electrode member 10 is filled with gas, but the humidity of the gas is 70% or more. .
Since the battery member 10 is hard in the dry state and soft in the wet state as compared with the dry state, the amount of compressive displacement at the time of pressurization differs between the dry state and the wet state. At a stage where a person works (processing, installation, installation work, etc.), the battery member 10 is dry. From the viewpoint of handling during work, the electrode member 10 is preferably hard. On the other hand, it is preferable that it is soft in terms of adhesion to the mounting portion and a surface that suppresses damage due to external force. The battery member 10 can obtain the ease of handling in the dry state and the adhesion to the mounting portion in the wet state because the amount of compression displacement at the time of pressurization is different between the dry state and the wet state.

また電池用部材10は、乾燥状態での加圧時の圧縮変位量に対して、湿潤状態での加圧時の圧縮変位量が2.0倍以上であることが好ましい。乾燥状態での加圧時の圧縮変位量に対して、湿潤状態での加圧時の圧縮変位量が2.0倍以上であれば、乾燥状態での高い加工精度及び取り付け精度及び湿潤状態での追従性の精度をより高めることができる。また乾燥時の取り扱いがより容易となり、作業性を高めることができる。   The battery member 10 preferably has a compressive displacement amount of 2.0 times or more when pressurized in a wet state relative to a compressive displacement amount when pressurized in a dry state. If the amount of compressive displacement at the time of pressurization in the wet state is 2.0 times or more than the amount of compressive displacement at the time of pressurization in the dry state, the high processing accuracy and mounting accuracy in the dry state and the wet state It is possible to further improve the accuracy of followability. In addition, handling during drying becomes easier and workability can be improved.

電池用部材10は、乾燥状態から湿潤状態にすることで、体積が増加することが好ましい。すなわち、電池用部材10は、膨潤することが好ましい。電池用部材10が膨潤すると、組み込むケース、留め具、パッキン等の形状に合わせて、電池用部材10が追従する。そのため、電池用部材10を電池に取り付けた状態での安定性を高くすることができる。   The battery member 10 is preferably increased in volume by changing from a dry state to a wet state. That is, it is preferable that the battery member 10 swells. When the battery member 10 swells, the battery member 10 follows the shape of the case, fastener, packing, or the like to be incorporated. Therefore, the stability in the state which attached the member 10 for batteries to the battery can be made high.

例えば、一般に広く用いられている硬度の高いカーボンシートの場合、高い加工精度を得ることはできる。しかしながら、乾燥状態でも湿潤状態でもその形状は変化しないため、取り付け箇所に対する十分な追従性を得ることができない。そのため、電池等に電池用部材10を用いた際に高い発電量を実現することが難しい。
またカーボンシートに比べて柔らかいカーボンフェルト等の場合、高い加工精度や取り付け精度を高めることができない。また電池等に取り込む際に補強シートが必要になる。この補強シートは、カーボンフェルト等に比較して導電性が悪いため、電池の性能の劣化の原因となる。さらにカーボンフェルト等は体積変化率が大きいため、所定の位置に詰め込むという作業が必要であり、非常に作業性が悪い。
For example, in the case of a carbon sheet having high hardness that is widely used in general, high processing accuracy can be obtained. However, since the shape does not change in a dry state or a wet state, sufficient followability with respect to the attachment location cannot be obtained. Therefore, it is difficult to realize a high power generation amount when the battery member 10 is used for a battery or the like.
Further, in the case of carbon felt or the like that is softer than the carbon sheet, high processing accuracy and mounting accuracy cannot be increased. Further, a reinforcing sheet is required when taking it into a battery or the like. Since this reinforcing sheet has poor conductivity as compared with carbon felt or the like, it causes deterioration of battery performance. Furthermore, since the volume change rate of carbon felt or the like is large, an operation of packing it in a predetermined position is necessary, and the workability is very poor.

(電池用部材の製造方法)
電池用部材の製造方法は、カーボンナノチューブの分散液を作製する工程と、作製した分散液をシート状に加工する工程を有する。
(Method for producing battery member)
The method for manufacturing a battery member includes a step of producing a dispersion of carbon nanotubes and a step of processing the produced dispersion into a sheet.

カーボンナノチューブの分散液を作製する工程について説明する。平均径100nm以上の第1のカーボンナノチューブと平均径30nm以下の第2のカーボンナノチューブとを用意する。これらは、公知の方法で製造することができる。   A process for producing a carbon nanotube dispersion will be described. A first carbon nanotube having an average diameter of 100 nm or more and a second carbon nanotube having an average diameter of 30 nm or less are prepared. These can be produced by known methods.

得られた第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブを溶媒中に分散させる。このとき、構造体としてカーボン短繊維も加えて分散させることが好ましい。この溶媒は、導電性高分子水溶液であることが好ましい。導電性高分子水溶液を用いることにより、カーボンナノチューブが後述する湿式ジェットミル等による混合の際に、分散しやすくなる。詳細は不明であるが、得られた電池用部材表面に当該導電性高分子が残留するためか、本発明の材料で構成される電池用部材はその表面が親水性になりやすい。   The obtained first carbon nanotube and second carbon nanotube are dispersed in a solvent. At this time, it is preferable to add and disperse carbon short fibers as a structure. This solvent is preferably a conductive polymer aqueous solution. By using the conductive polymer aqueous solution, the carbon nanotubes are easily dispersed during mixing by a wet jet mill or the like described later. Although details are unknown, the surface of the battery member made of the material of the present invention is likely to be hydrophilic because the conductive polymer remains on the surface of the obtained battery member.

導電性高分子水溶液中の導電性高分子としては、スルホ基を有する導電性高分子が好ましく、更に繰り返し単位にイソチアナフテンスルホン酸を含む導電性高分子がより好ましく、ポリイソチアナフテンスルホン酸がより好ましい。   The conductive polymer in the aqueous conductive polymer solution is preferably a conductive polymer having a sulfo group, more preferably a conductive polymer containing isothianaphthenesulfonic acid in the repeating unit, and polyisothianaphthenesulfonic acid. Is more preferable.

加える導電性高分子の量は以下を考慮して添加すれば良い。すなわち、導電性高分子は、カーボンナノチューブを親水化するためと分散性を向上させるために十分な量を添加すれば良い。
これは予備実験により確認でき、例えば、親水化に必要な量は、導電性高分子水溶液中にカーボンナノチューブを投入しても、導電性高分子水溶液中の導電性高分子の濃度が大幅に低下しない量を言う。
また分散性の向上に必要な量は、例えば、後述する方法で200μmの厚さになるような電池用部材を作製した際、表面粗さを測定し、導電性高分子を添加しなかったときの算術平均粗さRaの1/5以下になる量である。より好ましくは、1/10以下の量である。特に、ポリイソチアナフテンスルホン酸は、親水化及び分散性向上に顕著な効果があるため、添加量は極少量で良い。そのため、ポリイソチアナフテンスルホン酸の場合、通常、親水化に必要な量の3倍量添加しておけば、充分分散もできる。
The amount of the conductive polymer to be added may be added in consideration of the following. That is, the conductive polymer may be added in an amount sufficient to make the carbon nanotubes hydrophilic and to improve dispersibility.
This can be confirmed by preliminary experiments. For example, the amount required for hydrophilization is greatly reduced even when carbon nanotubes are introduced into the aqueous conductive polymer solution. Don't say the amount.
The amount necessary for improving the dispersibility is, for example, when the surface roughness is measured and no conductive polymer is added when a battery member having a thickness of 200 μm is produced by the method described later. Is an amount that is 1/5 or less of the arithmetic average roughness Ra. More preferably, the amount is 1/10 or less. In particular, polyisothianaphthene sulfonic acid has a remarkable effect on hydrophilization and dispersibility improvement, and therefore, the addition amount may be extremely small. Therefore, in the case of polyisothianaphthenesulfonic acid, it is usually possible to disperse sufficiently by adding three times the amount necessary for hydrophilization.

カーボンナノチューブは、凝集しやすい。そのため、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブを溶媒に分散させる際は、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブを加えた溶液にせん断力を加えながら分散させることが好ましい。せん断力を加える方法としては、湿式ジェットミル等が好ましい。湿式ジェットミルとは、溶液に高圧を加えながら、狭い流路を通過させる方法である。この狭い流路を通過する際に、第1及び第2のカーボンナノチューブにせん断力が加わり、分散性を高めることができる。またこの第1及び第2のカーボンナノチューブの分散性の高さは、電池用部材の強度を高める。分散性が低いと凝集粒が生じ、そこから破損が生じやすくなる。また、カーボン短繊維は、第2のカーボンナノチューブの分散後に添加し、再度湿式ジェットミル等で分散させることが好ましい。   Carbon nanotubes tend to aggregate. Therefore, when the first carbon nanotube and the second carbon nanotube are dispersed in the solvent, it is preferable to disperse the solution in which the first carbon nanotube and the second carbon nanotube are added while applying a shearing force. As a method for applying the shearing force, a wet jet mill or the like is preferable. The wet jet mill is a method of passing through a narrow channel while applying high pressure to the solution. When passing through this narrow channel, a shearing force is applied to the first and second carbon nanotubes, and the dispersibility can be improved. The high dispersibility of the first and second carbon nanotubes increases the strength of the battery member. If the dispersibility is low, agglomerated grains are formed, and breakage is likely to occur therefrom. The short carbon fibers are preferably added after the second carbon nanotubes are dispersed, and again dispersed by a wet jet mill or the like.

湿式ジェットミルを用いることにより第1のカーボンナノチューブの損傷を抑えつつ、第2のカーボンナノチューブを分散させることができる。混合時の圧力は、好ましくは100MPa以上、より好ましくは150〜250MPaである。当該範囲であれば、より顕著に第1のカーボンナノチューブの損傷を抑えつつ、第2のカーボンナノチューブを分散させることができる。   By using a wet jet mill, it is possible to disperse the second carbon nanotubes while suppressing damage to the first carbon nanotubes. The pressure during mixing is preferably 100 MPa or more, and more preferably 150 to 250 MPa. If it is the said range, a 2nd carbon nanotube can be disperse | distributed, suppressing the damage of a 1st carbon nanotube more notably.

次いで、作製したカーボンナノチューブを含む分散液から電池用部材を作製する。この工程は大まかには、紙漉きの要領で作成することができる。
例えば、比較的小さなサイズを作製する際には、数mm程度の穴を有するステンレスのメッシュ状に、通液性を有する基材を設置する。そして、この基材上に分散液を広げる。すると、通液性を有する基材及びメッシュの孔部を通過して、溶媒が排出され電池用部材を得ることができる。このとき基材上に供給された分散液は乾燥機等を用いて、溶媒の除去を手助けしてもよい。この方法は、比較的小さな面積の電極を少量作製する場合、好適である。このとき用いられる分散液の厚み、基材の種類、形状等は、後述する図5における場合と同様とすることができる。
Next, a battery member is produced from the produced dispersion containing carbon nanotubes. This process can be roughly created by papermaking.
For example, when producing a relatively small size, a liquid-permeable base material is installed in a stainless mesh having holes of about several mm. And a dispersion liquid is spread on this base material. Then, the solvent is discharged through the base material having liquid permeability and the holes of the mesh to obtain a battery member. At this time, the dispersion liquid supplied onto the substrate may assist the removal of the solvent by using a dryer or the like. This method is suitable when a small amount of electrodes having a relatively small area is produced. The thickness of the dispersion used at this time, the type of substrate, the shape, and the like can be the same as in FIG. 5 described later.

また量産性の観点からは、図5に示すような手順で作製してもよい。
通液性を有する基材11上に、作製したカーボンナノチューブの分散液31を供給源32から滴下する。次いで、滴下した分散液31を均一な厚さになるように塗工手段33を用いて塗工する。塗工手段32としては、ワイヤーバーコーター、ナイフコーター、エアーナイフコーター、ブレードコーター、リバースロールコーター、ダイコーター等を用いることが出来る。
Further, from the viewpoint of mass productivity, it may be produced by a procedure as shown in FIG.
A prepared carbon nanotube dispersion 31 is dropped from a supply source 32 onto a substrate 11 having liquid permeability. Next, the dropped dispersion liquid 31 is coated using the coating means 33 so as to have a uniform thickness. As the coating means 32, a wire bar coater, knife coater, air knife coater, blade coater, reverse roll coater, die coater or the like can be used.

塗工された分散液31に含まれる溶媒34は、通液性を有する基材11を通過して、下方から排出される。このとき乾燥機35等を用いて、溶媒34の除去を手助けしてもよい。塗工された分散液31から溶媒を除去することで、電池用部材10を得ることができる。   The solvent 34 contained in the coated dispersion 31 passes through the substrate 11 having liquid permeability and is discharged from below. At this time, the removal of the solvent 34 may be assisted by using a dryer 35 or the like. The battery member 10 can be obtained by removing the solvent from the coated dispersion 31.

このとき塗工される分散液31の厚みは、得られる電池用部材10の厚みに対して適宜設定することができる。塗工膜の厚みと得られる電池用部材との関係を事前に検討しておくことで、所望の厚さの電池用部材を得ることができる。   At this time, the thickness of the dispersion 31 to be applied can be appropriately set with respect to the thickness of the obtained battery member 10. By examining the relationship between the thickness of the coating film and the obtained battery member in advance, a battery member having a desired thickness can be obtained.

ここまでは、電池用部材10を単体で作製する場合について説明した。この他にも、基材上にカーボンナノチューブの分散液を作製する工程で得られた分散液をスピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等により塗膜してもよい。その後、乾燥等により塗膜から溶媒を除去し、基材上にカーボンナノチューブ層が形成された電池用部材10を得ることができる。   So far, the case where the battery member 10 is produced as a single unit has been described. In addition to this, the dispersion obtained in the step of preparing a dispersion of carbon nanotubes on the substrate is subjected to spin coating, casting, micro gravure coating, gravure coating, bar coating, roll coating, wire The coating may be performed by a bar coating method, a dip coating method, a spray coating method, a screen printing method, a flexographic printing method, an offset printing method, an inkjet printing method, or the like. Thereafter, the solvent is removed from the coating film by drying or the like, and the battery member 10 in which the carbon nanotube layer is formed on the substrate can be obtained.

作製される電池用部材10は平坦でも良いし、凹凸や蛇腹の形状をしていても良い。凹凸や蛇腹の電池用部材10は、表面積が大きくなり、電極として使用する際に表面積が増えるため好ましい。このような形状の電池用部材10は、基材上で水分を除去した後、さらに水分を除去する際、凹凸や蛇腹の形状を有する型上で、乾燥や加圧を行うことで作製することができる。   The battery member 10 to be manufactured may be flat, or may have an uneven or bellows shape. The uneven or bellows battery member 10 is preferable because it has a large surface area and increases the surface area when used as an electrode. The battery member 10 having such a shape is manufactured by performing drying or pressurization on a mold having an uneven or bellows shape after removing moisture on the substrate. Can do.

基材11は、溶媒を透過できるものであることが好ましい。基材11が溶媒を透過できることで、カーボンナノチューブの分散液から、溶媒を容易に除去することができる。基材11としては、例えば、プラスチック系のフィルム、紙等適宜選択することができる。
電池用部材10として用いる際には、この基材11が密着した状態であってもよい。基材の形状は、その表面に電池用部材を設けることができればよく、平坦でも良いし、凹凸、蛇腹、針状の形状をしていても良い。
It is preferable that the base material 11 is a thing which can permeate | transmit a solvent. Since the base material 11 can permeate the solvent, the solvent can be easily removed from the carbon nanotube dispersion. As the substrate 11, for example, a plastic film, paper, or the like can be selected as appropriate.
When used as the battery member 10, the base material 11 may be in close contact. The shape of the substrate is not particularly limited as long as a battery member can be provided on the surface thereof, and may be flat, or may have an uneven, bellows, or needle shape.

基材11は、電池用部材10の使用態様まで考慮して、選択してもよい。より薄く、より軽量のものが求められる場合は、紙や樹脂フィルム等を用いることが好ましい。非導電性が求められる場合は、ガラス繊維で構成される不織布(ガラスペーパー)、アラミド、ポリエステル、ナイロン、ビニロン、ポリオレフィン、レーヨン等の合成樹脂繊維で構成される不織布を用いることが好ましい。この他、耐酸性が求められる場合は、フッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等を用いた不織布等がより好ましい。耐酸化性が求められる場合は、フッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド等を用いた不織布等がより好ましい。耐熱性が求められる場合は、フッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等を用いた不織布、難燃フィルム、難燃紙等が好ましい。耐アルカリ性が求められる場合は、アラミドの樹脂繊維で構成される不織布が好ましい。
なお、電池用部材10として使用する際の基材は、製造段階で用いた基材11と同一であることが好ましいが、必ずしも同一である必要はない。
The base material 11 may be selected in consideration of the usage mode of the battery member 10. When a thinner and lighter material is required, it is preferable to use paper, a resin film, or the like. When non-conductivity is required, it is preferable to use a nonwoven fabric composed of glass fibers (glass paper), a nonwoven fabric composed of synthetic resin fibers such as aramid, polyester, nylon, vinylon, polyolefin and rayon. In addition, when acid resistance is required, a nonwoven fabric using fluorine resin, fluorine-based elastomer, polyester, acrylic resin, polyethylene, polypropylene, polyetheretherketone, polyimide, polyphenylene sulfide, or the like is more preferable. When oxidation resistance is required, a nonwoven fabric using a fluororesin, a fluoroelastomer, polyethylene, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, or the like is more preferable. When heat resistance is required, a non-woven fabric, a flame retardant film, a flame retardant paper or the like using a fluororesin, a fluorine elastomer, polyester, polypropylene, polyarylate, polyether ether ketone, polyimide, polyphenylene sulfide, or the like is preferable. When alkali resistance is required, a nonwoven fabric composed of aramid resin fibers is preferable.
In addition, although it is preferable that the base material at the time of using as the battery member 10 is the same as the base material 11 used at the manufacturing stage, it does not necessarily need to be the same.

電池用部材10を親水化する方法として、水溶性導電性高分子の例を説明したが、親水化の方法はこの方法に限られず、公知の方法を用いることができる。   Although the example of water-soluble conductive polymer was demonstrated as a method of hydrophilizing the battery member 10, the method of hydrophilization is not restricted to this method, A well-known method can be used.

電池用部材10の成形に際して、成形しやすくするために適当な構造体を同時に用いてもよい。例えば、電池用部材10を成形する際に、必要に応じて、導電性の繊維、好ましくは炭素繊維と共に成形してもよい。その他、必要に応じて、触媒金属、バインダー等の添加物を用いて成形してもよい。   In forming the battery member 10, an appropriate structure may be used at the same time to facilitate forming. For example, when the battery member 10 is formed, it may be formed together with conductive fibers, preferably carbon fibers, as necessary. In addition, you may shape | mold using additives, such as a catalyst metal and a binder, as needed.

(燃料電池)
次いで、本発明に係る電池用部材10を実際の電池にどのように組み込むかについて説明する。まず固体高分子形燃料電池を例に説明する。図4は、本発明の一態様に係る燃料電池の単体セル100の断面模式図である。燃料電池の単体セル100は、電解質膜101と、触媒層102と、ガス拡散層103と、セパレーター104を有する。燃料電池の単体セル100は、電解質膜101を中心として、その両面に触媒層102、ガス拡散層103、セパレーター104が順に配設されている。
(Fuel cell)
Next, how to incorporate the battery member 10 according to the present invention into an actual battery will be described. First, a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the unit cell 100 of the fuel cell according to one aspect of the present invention. A unit cell 100 of a fuel cell includes an electrolyte membrane 101, a catalyst layer 102, a gas diffusion layer 103, and a separator 104. The unit cell 100 of the fuel cell has an electrolyte membrane 101 as a center, and a catalyst layer 102, a gas diffusion layer 103, and a separator 104 are sequentially arranged on both surfaces thereof.

燃料電池のアノード側には、水素ガスが供給される。一方で、カソード側には、酸素ガス又は空気が供給される。その結果、アノード側ではH→2H+2eの反応が起こる。一方で、カソード側では1/2O+2H+2e→HOの反応が起こる。これにより、電気エネルギーを取り出すことができる。これらの反応は、触媒層102に担持された触媒近傍で生じる。そのため、アノード側で発生したプロトン(H)を、カソード側の触媒まで運ぶことができないと反応は進行しない。またカソード側への酸素、アノード側への水素ガスの供給が滞っても反応は進行しない。 Hydrogen gas is supplied to the anode side of the fuel cell. On the other hand, oxygen gas or air is supplied to the cathode side. As a result, a reaction of H 2 → 2H + + 2e occurs on the anode side. On the other hand, a reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O occurs on the cathode side. Thereby, electric energy can be taken out. These reactions occur in the vicinity of the catalyst supported on the catalyst layer 102. Therefore, the reaction does not proceed unless protons (H + ) generated on the anode side can be carried to the catalyst on the cathode side. The reaction does not proceed even if the supply of oxygen to the cathode and hydrogen gas to the anode is delayed.

以下、各部材について詳細に説明する。
電解質膜101は、アノード側で発生したプロトンをカソード側に運ぶことができる膜である。その一方で、電解質膜101は、発生した電子の伝導を阻害する。そのため、アノード側の反応とカソード側の反応をそれぞれ分離することができる。
電解質膜101は、公知のものを用いることができる。例えば、ナフィオン(登録商標、シグマアルドリッチ社製)等を用いることができる。
Hereinafter, each member will be described in detail.
The electrolyte membrane 101 is a membrane that can carry protons generated on the anode side to the cathode side. On the other hand, the electrolyte membrane 101 inhibits conduction of the generated electrons. Therefore, the reaction on the anode side and the reaction on the cathode side can be separated.
As the electrolyte membrane 101, a known one can be used. For example, Nafion (registered trademark, manufactured by Sigma Aldrich) or the like can be used.

触媒層102は、電解質膜101の両面に配設される。触媒層102には、公知のものを用いることができる。例えば、白金担持のカーボン等を用いることができる。白金が反応の触媒として機能する。
前述の反応は、この担持された触媒近傍で生じる。そのため、この触媒近傍まで、発生したプロトンを供給するために、触媒層102はプロトン伝導性を有する。プロトンはイオンである。そのため、触媒層102内部を液相とすることで、プロトン伝導性を確保することができる。このとき、触媒層102内部とは、例えば触媒層102が白金担持のカーボンフェルトからなる場合は、カーボンフェルトを構成する炭素質材料間の隙間に液体が存在することを意味する。この隙間は、完全に液体で満たされている必要はなく、プロトンを伝導できる程度存在すればよい。
The catalyst layer 102 is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 101. A known material can be used for the catalyst layer 102. For example, platinum-supported carbon or the like can be used. Platinum functions as a catalyst for the reaction.
The aforementioned reaction occurs in the vicinity of the supported catalyst. Therefore, the catalyst layer 102 has proton conductivity in order to supply the generated protons to the vicinity of the catalyst. Protons are ions. Therefore, proton conductivity can be ensured by making the inside of the catalyst layer 102 into a liquid phase. At this time, the inside of the catalyst layer 102 means that, for example, when the catalyst layer 102 is made of platinum-supported carbon felt, a liquid exists in a gap between carbonaceous materials constituting the carbon felt. The gap does not need to be completely filled with the liquid, but may be present to the extent that protons can be conducted.

ガス拡散層103は、二つの触媒層102の電解質膜101と反対側の面にそれぞれ配設されている。ガス拡散層103には、前記電池用部材10を用いることができる。
前述の反応は、カソード側への酸素ガス、アノード側への水素ガスの供給が滞ると進行しない。そのため、ガス拡散層103を介して触媒層102にガスを効率的に供給する。本発明に係る電池用部材10は、第1のカーボンナノチューブ及び第2のカーボンナノチューブ間に隙間を有する。そのため、この隙間をガスが通過することができ、ガス拡散層103として機能することができる。
The gas diffusion layers 103 are disposed on the surfaces of the two catalyst layers 102 opposite to the electrolyte membrane 101, respectively. For the gas diffusion layer 103, the battery member 10 can be used.
The aforementioned reaction does not proceed when the supply of oxygen gas to the cathode side and hydrogen gas to the anode side stagnate. Therefore, gas is efficiently supplied to the catalyst layer 102 via the gas diffusion layer 103. The battery member 10 according to the present invention has a gap between the first carbon nanotube and the second carbon nanotube. Therefore, gas can pass through this gap and can function as the gas diffusion layer 103.

ガス拡散層103(電池用部材10)の触媒層102側の面は、撥水処理されていることが好ましい。撥水処理することで、触媒層102が内包する液体が、ガス拡散層103の内部に浸透することを避けることができる。ガス拡散層103は、ガスを通過させる必要があるため、その内部は、気相の状態であることが好ましい。ガス拡散層103の表面を撥水処理すれば、触媒層102とガス拡散層103が接触しても、触媒層102の液相がガス拡散層103内に浸透することを抑制することができる。撥水処理の方法は公知のものを用いることができる。例えば、電池用部材にテフロン塗料を塗布することにより撥水性を発現することができる。また、その他の方法としては、フッ素ガス環境下に電池用部材10を晒すことでも実現することができる。   The surface of the gas diffusion layer 103 (battery member 10) on the catalyst layer 102 side is preferably subjected to water repellent treatment. By performing the water repellent treatment, it is possible to prevent the liquid contained in the catalyst layer 102 from penetrating into the gas diffusion layer 103. Since the gas diffusion layer 103 needs to allow gas to pass therethrough, the inside thereof is preferably in a gas phase state. If the surface of the gas diffusion layer 103 is subjected to water repellent treatment, it is possible to prevent the liquid phase of the catalyst layer 102 from penetrating into the gas diffusion layer 103 even if the catalyst layer 102 and the gas diffusion layer 103 are in contact with each other. A known method can be used for the water repellent treatment. For example, water repellency can be expressed by applying a Teflon paint to a battery member. As another method, the battery member 10 can be exposed to a fluorine gas environment.

ガス拡散層103は、反応用のガスを供給すると共に、触媒層102内の液相への液体供給源としても機能する。燃料電池では、触媒層102が乾燥し、液相状態が維持できなくなることを避ける必要がある。そのため、ガス拡散層103を介して、高湿度のガスを供給することが一般的である。すなわち、ガス拡散層103内部を通過するガスは、一般的に気体ではあるが高湿度状態のガスである。そのため、ガス拡散層103として電池用部材10を用いると、電池用部材10は湿潤状態となる。したがって、乾燥状態でガス拡散層103の位置に組み込んだ電池用部材10は、使用の態様においては湿潤し、組み込むケース、留め具、パッキン等の形状に追従する。すなわち、ガス拡散層103として本発明に係る電池用部材10を用いると、使用時の構造的な安定性をより高めることができる。構造的な安定性は、発電性能の向上にも寄与する。   The gas diffusion layer 103 supplies a reaction gas and also functions as a liquid supply source to the liquid phase in the catalyst layer 102. In the fuel cell, it is necessary to avoid that the catalyst layer 102 is dried and the liquid phase state cannot be maintained. Therefore, it is common to supply high-humidity gas via the gas diffusion layer 103. That is, the gas passing through the inside of the gas diffusion layer 103 is generally a gas but a gas in a high humidity state. Therefore, when the battery member 10 is used as the gas diffusion layer 103, the battery member 10 is in a wet state. Therefore, the battery member 10 incorporated in the position of the gas diffusion layer 103 in a dry state is wetted in the usage mode, and follows the shape of the incorporated case, fastener, packing, and the like. That is, when the battery member 10 according to the present invention is used as the gas diffusion layer 103, the structural stability during use can be further enhanced. Structural stability also contributes to improved power generation performance.

セパレーター104は、電解質膜101、触媒層102及びガス拡散層103を覆うように配設されている。セパレーター104同士が正対する部分には、ガスケット105を設けてもよい。セパレーター104は、公知のものを用いることができ、カーボン材料でも金属材料からなってもよい。セパレーター104には、ガスが流通可能な溝104Aが形成されている。
この溝104Aは、ガス拡散層103による触媒層102へのガスの供給をサポートする。ガスの流れをガス拡散層103の厚さ方向に向けることで、より触媒層102へのガスの供給を効率的に行うことができる。
The separator 104 is disposed so as to cover the electrolyte membrane 101, the catalyst layer 102, and the gas diffusion layer 103. A gasket 105 may be provided in a portion where the separators 104 face each other. The separator 104 may be a known one, and may be made of a carbon material or a metal material. The separator 104 is formed with a groove 104A through which gas can flow.
The groove 104 </ b> A supports the gas supply to the catalyst layer 102 by the gas diffusion layer 103. By directing the gas flow in the thickness direction of the gas diffusion layer 103, the gas can be more efficiently supplied to the catalyst layer 102.

本発明の一態様に係る燃料電池では、ガス拡散層103として本発明に係る電極用部材10を用いている。そのため、ガス拡散層の構造的な安定性を高めることができる。また取り付け時の加工精度、取り付け精度をより高めることができる。その結果、高い発電量を示す燃料電池を実現することができる。   In the fuel cell according to one embodiment of the present invention, the electrode member 10 according to the present invention is used as the gas diffusion layer 103. Therefore, the structural stability of the gas diffusion layer can be improved. Moreover, the processing accuracy at the time of attachment and attachment accuracy can be improved more. As a result, a fuel cell showing a high power generation amount can be realized.

(空気電池)
空気電池は、燃料電池の一態様である。以下、本発明に係る電池用部材10を実際の空気電池にどのように組み込むかについて説明する。図5は、本発明の一態様に係る空気電池の単セル200の斜視模式図である。図5では、理解を容易にするために各部材を離して図示したが、実際の使用時には、これらの部材は全て接触している。
本発明の一態様に係る空気電池の単セル200は、電解質膜201と、第1電極202と、第2電極203とを有する。第2電極203を支持する支持体204を有していてもよい。
(Air battery)
An air battery is an embodiment of a fuel cell. Hereinafter, how to incorporate the battery member 10 according to the present invention into an actual air battery will be described. FIG. 5 is a schematic perspective view of a single cell 200 of an air battery according to one embodiment of the present invention. In FIG. 5, the members are illustrated apart for ease of understanding, but these members are all in contact in actual use.
A single cell 200 of an air battery according to one embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane 201, a first electrode 202, and a second electrode 203. You may have the support body 204 which supports the 2nd electrode 203. FIG.

電解質膜201は、イオンを通過することができればよく、公知のものを用いることができる。例えば、濾紙に電解液を浸透させたものでもよい。   As the electrolyte membrane 201, any known membrane can be used as long as it can pass ions. For example, a filter paper in which an electrolytic solution is permeated may be used.

第1電極202は、金属からなる燃料極であり、公知のものを用いることができる。例えば、Mg,Li、Na、Ca、Al、Zn等を用いることができる。例えば、第1電極202としてMgを用いた場合、第1電極では、2Mg+3OH→2Mg2++4eの反応が生じる。 The first electrode 202 is a fuel electrode made of metal, and a known electrode can be used. For example, Mg, Li, Na, Ca, Al, Zn, etc. can be used. For example, when Mg is used as the first electrode 202, the reaction of 2Mg + 3OH → 2Mg 2+ + 4e occurs in the first electrode.

第2電極203は、伝導部203Aと反応部203Bを有していてもよい。第2電極203側では、空気中の酸素ガスが正極活物質として機能する。そのため、O+2HO+4e→4OHの反応が生じる。この反応を効率的に生じさせるためには、第2電極203と電解質膜201との接触表面積が大きいことが好ましい。そこで電極、特に反応部203Bには、電解質201との接触表面積を大きくとれ、かつガスを通過できる本発明に係る電池用部材10を用いることができる。本発明に係る電池用部材10は、従来のカーボンフェルト等と比較しても高い導電性を有している。 The second electrode 203 may have a conduction part 203A and a reaction part 203B. On the second electrode 203 side, oxygen gas in the air functions as a positive electrode active material. Therefore, a reaction of O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH occurs. In order to generate this reaction efficiently, it is preferable that the contact surface area between the second electrode 203 and the electrolyte membrane 201 is large. Therefore, the battery member 10 according to the present invention which can take a large surface area of contact with the electrolyte 201 and can pass a gas can be used for the electrode, particularly the reaction portion 203B. The battery member 10 according to the present invention has high conductivity even when compared with a conventional carbon felt or the like.

伝導部203Aは、例えば金属からなるメッシュ等を用いることができる。反応部203Bに直接配線を繋いで電池を形成してもよいが、別途より伝導性の高い物質と接続することで電池の性能をより高めることができる。なお、伝導部203Aもガスを通過する必要があるため、メッシュ等のガスが通過できる加工を施すことが好ましい。   For example, a mesh made of metal can be used for the conductive portion 203A. A battery may be formed by directly connecting a wiring to the reaction portion 203B, but the performance of the battery can be further improved by separately connecting to a substance having higher conductivity. Note that since the conductive portion 203A also needs to pass gas, it is preferable to perform processing that allows gas such as mesh to pass through.

上述のようなイオンを介した反応を進めるために、反応部203Bを構成する電池用部材10内部の隙間は、液体で満たされていることが好ましい。電池用部材10は液体により湿潤すると、比較的強度が落ちる。そのため、第2電極203は、支持体204で支持されていることが好ましい。このとき支持体204によりガスの通過が阻害されないことが好ましいため、支持体204には孔部205等を設けていることが好ましい。   In order to advance the reaction via ions as described above, it is preferable that the gap inside the battery member 10 constituting the reaction part 203B is filled with a liquid. When the battery member 10 is wetted by the liquid, the strength is relatively lowered. For this reason, the second electrode 203 is preferably supported by the support 204. At this time, since it is preferable that the passage of gas is not hindered by the support 204, the support 204 is preferably provided with a hole 205 or the like.

本発明の一態様に係る空気電池では、電極の一部として本発明に係る電池用部材10を用いている。そのため、従来のカーボンフェルト等と比較しても高い導電性を有し、より起電力の高い空気電池を得ることができる。   In the air battery according to one aspect of the present invention, the battery member 10 according to the present invention is used as a part of the electrode. Therefore, an air battery having higher conductivity and higher electromotive force than that of a conventional carbon felt or the like can be obtained.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited only to a following example.

(実施例1−1)
第1のカーボンナノチューブとして昭和電工製VGCF(登録商標)−H(平均直径150nm、平均繊維長10μm)900gを用い、第2のカーボンナノチューブとして昭和電工製VGCF(登録商標)−X(平均直径15nm、平均繊維長3μm)100gを用いた。この両者を純水50リットルにポリイソチアナフテンスルホン酸0.5gを溶解した溶液に入れて、ミキサー(IKA社製 ULTRA−TURRAX UTC 80)を用いて予備的に混合した。
(Example 1-1)
Showa Denko VGCF (registered trademark) -H (average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm) 900 g was used as the first carbon nanotube, and Showa Denko VGCF (registered trademark) -X (average diameter 15 nm) as the second carbon nanotube. , Average fiber length 3 μm) 100 g was used. Both of these were put in a solution in which 0.5 g of polyisothianaphthenesulfonic acid was dissolved in 50 liters of pure water, and preliminarily mixed using a mixer (ULTRA-TURRAX UTC 80 manufactured by IKA).

得られた混合物を湿式ジェットミル(スギノマシン社製StarBurst HJP−25005)を用いて圧力200MPaで処理した。得られたスラリーに構造体としてカーボン短繊維(ドナカーボ・チョップS−232、大阪ガス社製)を100g添加して、再び湿式ジェットミル(ULTRA−TURRAX UTC 80)を用いて混合した。   The resulting mixture was treated at a pressure of 200 MPa using a wet jet mill (StarBurst HJP-25005, manufactured by Sugino Machine). 100 g of carbon short fibers (DonaCarbo Chop S-232, manufactured by Osaka Gas Co., Ltd.) was added to the resulting slurry as a structure, and mixed again using a wet jet mill (ULTRA-TURRAX UTC 80).

カーボン短繊維を混合したこのスラリーを1.5リットル用いて、横210mm、縦300mmの長方形の濾過機に流し込み、吸引濾過してケーキを作製した。得られたケーキに総荷重20トンをかけて圧縮してから、重しを載せて200℃の乾燥器に入れて乾燥させた。乾燥したケーキの厚さは2.6mmで総質量は28gであった。乾燥したケーキを50mm ×50mmの大きさに切りだし、電池用部材とした。   Using 1.5 liters of this slurry mixed with carbon short fibers, the slurry was poured into a rectangular filter having a width of 210 mm and a length of 300 mm, and suction filtered to prepare a cake. The obtained cake was compressed by applying a total load of 20 tons, and a weight was placed on the cake and dried in a 200 ° C. drier. The dried cake had a thickness of 2.6 mm and a total mass of 28 g. The dried cake was cut into a size of 50 mm × 50 mm to obtain a battery member.

(実施例1−2)
ポリイソチアナフテンスルホン酸15gを溶解したこと、およびカーボン短繊維を添加しなかったことを除いて、実施例1−1と同じ条件で電池用部材を作製した。
(Example 1-2)
A battery member was produced under the same conditions as in Example 1-1, except that 15 g of polyisothianaphthenesulfonic acid was dissolved and no carbon short fiber was added.

(実施例1−3)
第1のカーボンナノチューブとして平均直径100nmのカーボンナノチューブ900gを用いたことを除いて、実施例1−1と同じ条件で電池用部材を作製した。
(Example 1-3)
A battery member was produced under the same conditions as in Example 1-1, except that 900 g of carbon nanotubes having an average diameter of 100 nm were used as the first carbon nanotubes.

(実施例1−4)
第2のカーボンナノチューブとして平均直径30nmのカーボンナノチューブ100gを用いたことを除いて、実施例1−1と同じ条件で電池用部材を作製した。
(Example 1-4)
A battery member was produced under the same conditions as in Example 1-1, except that 100 g of carbon nanotubes having an average diameter of 30 nm were used as the second carbon nanotubes.

実施例1−1〜1−4のいずれの電極用部材も透過電子顕微鏡により観察したところ、第2のカーボンナノチューブが複数の第1のカーボンナノチューブ間に跨った構造を有することが確認された。実施例1−1では、合計100本の第2のカーボンナノチューブを観察した結果、72本の第2のカーボンナノチューブ2が複数の第1のカーボンナノチューブ1間を跨った構造をしていた。   When any of the electrode members in Examples 1-1 to 1-4 was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that the second carbon nanotube had a structure straddling between the plurality of first carbon nanotubes. In Example 1-1, as a result of observing a total of 100 second carbon nanotubes, 72 second carbon nanotubes 2 had a structure straddling a plurality of first carbon nanotubes 1.

(実施例2−1)
実施例1−1の電池用部材を1辺10mm各で切り出した。電池用部材の厚みは2.6mmであった。
(Example 2-1)
The battery member of Example 1-1 was cut out at 10 mm on each side. The thickness of the battery member was 2.6 mm.

(比較例2−1)
東洋紡社製のカーボンフェルト(KF30A)を1辺10mm各で切り出した。カーボンシートの厚みは3.3mmであった。
(Comparative Example 2-1)
Carbon felt (KF30A) manufactured by Toyobo Co., Ltd. was cut out at 10 mm per side. The thickness of the carbon sheet was 3.3 mm.

実施例2−1の電池用部材及び比較例2−1のカーボンフェルトの乾燥状態での荷重による圧縮変位と、含浸状態での荷重による圧縮変位を測定した。含浸状態とは、電池用部材及びカーボンフェルトに水を含浸させた状態を意味する。その結果を図6に示す。図6において縦軸は加えた荷重であり、横軸は荷重を加えた方向に対する電池用部材またはカーボンフェルトの厚さの変化量を示す。   The compression displacement due to the load in the dry state and the compression displacement due to the load in the impregnated state of the battery member of Example 2-1 and the carbon felt of Comparative Example 2-1 were measured. The impregnated state means a state in which the battery member and the carbon felt are impregnated with water. The result is shown in FIG. In FIG. 6, the vertical axis represents the applied load, and the horizontal axis represents the amount of change in the thickness of the battery member or the carbon felt with respect to the direction in which the load is applied.

図6に示すように、実施例2−1の電池用部材は、溶媒を含浸させることにより荷重に対する変移量が大きくなっている。すなわち、含浸させることで電池用部材が軟らかくなり変形に対応できるようになっていることがわかる。これに対し、比較例2−1のカーボンフェルトは、乾燥状態でも含浸状態でも荷重に対する変移量に大きな差異が見られない。また比較例2−1のカーボンフェルトは、乾燥状態において荷重に対する変移量が大きい。そのため、実施例2−1の電池用部材は、比較例2−1のカーボンフェルトと比較して、乾燥状態で高い精度で加工できると共に、含水状態で取り付け位置への高い追従性を得ることができる。   As shown in FIG. 6, the battery member of Example 2-1 has a large displacement with respect to the load by impregnating the solvent. That is, it is understood that the battery member is softened by the impregnation and can cope with the deformation. On the other hand, the carbon felt of Comparative Example 2-1 shows no significant difference in the amount of displacement with respect to the load in either a dry state or an impregnated state. Further, the carbon felt of Comparative Example 2-1 has a large amount of displacement with respect to the load in the dry state. Therefore, the battery member of Example 2-1 can be processed with high accuracy in a dry state as compared with the carbon felt of Comparative Example 2-1, and can obtain high followability to the mounting position in a water-containing state. it can.

また実施例2−1の電池用部材と比較例2−2としてカーボンシート(TGP−H−90、東レ株式会社製)のそれぞれを、図5に示す空気電池の電極(反応部203B)に用いて、発電特性を測定した。具体的には次のようにして空気電池を組み立て、発電特性を測定した。支持体(アクリルプレート50mm×50mm)、電極202(マグネシウム板、直径30mm)、電解質膜201(濾紙)、電極203(反応部203B(前記電池用部材または前記カーボンシート、いずれも20mm×20mm)と伝導部203A(アルミ網)からなる)、支持体204(アクリルプレート 直径18mmの孔を有する)の順に重ねて、空気電池セルとした。電解液は3質量%塩化ナトリウム水溶液を用いた。その結果を図7に示す。図7に示すように、本発明に係る電池用部材を用いることで高い発電起電力を得られることが確認できた。   Moreover, each of the battery member of Example 2-1 and the carbon sheet (TGP-H-90, manufactured by Toray Industries, Inc.) as Comparative Example 2-2 were used for the electrode (reaction unit 203B) of the air battery shown in FIG. The power generation characteristics were measured. Specifically, an air battery was assembled as follows and the power generation characteristics were measured. A support (acrylic plate 50 mm × 50 mm), electrode 202 (magnesium plate, diameter 30 mm), electrolyte membrane 201 (filter paper), electrode 203 (reaction part 203B (the battery member or the carbon sheet, both 20 mm × 20 mm), The conductive portion 203A (aluminum net)) and the support 204 (acrylic plate having a hole with a diameter of 18 mm) were stacked in this order to form an air battery cell. As the electrolytic solution, a 3 mass% sodium chloride aqueous solution was used. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 7, it was confirmed that a high generated electromotive force could be obtained by using the battery member according to the present invention.

1…第1のカーボンナノチューブ、2…第2のカーボンナノチューブ、10…電池用部材、31…分散体、32…供給源、33…塗工手段、34…溶媒、35…乾燥機、100…燃料電池、101…電解質膜、102…触媒層、103…ガス拡散層、104…セパレーター、104A…溝、105…ガスケット、200…空気電池、201…電解質膜、202…第1電極、203…第2電極、203A…伝導部、203B…反応部、204…支持体、205…孔部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st carbon nanotube, 2 ... 2nd carbon nanotube, 10 ... Battery member, 31 ... Dispersion, 32 ... Supply source, 33 ... Coating means, 34 ... Solvent, 35 ... Dryer, 100 ... Fuel Batteries 101 ... electrolyte membrane 102 ... catalyst layer 103 ... gas diffusion layer 104 ... separator 104A ... groove 105 ... gasket 200 ... air battery 201 ... electrolyte membrane 202 ... first electrode 203 ... second Electrode, 203A ... conductive portion, 203B ... reactive portion, 204 ... support, 205 ... hole

Claims (4)

平均径100nm以上の第1のカーボンナノチューブと平均径30nm以下の第2のカーボンナノチューブとを含み、前記第1のカーボンナノチューブの表面に前記第2のカーボンナノチューブが付着し、前記第2のカーボンナノチューブが、複数の前記第1のカーボンナノチューブ間に跨った構造を有する電池用部材を備えた燃料電池。   A first carbon nanotube having an average diameter of 100 nm or more and a second carbon nanotube having an average diameter of 30 nm or less, wherein the second carbon nanotube is attached to a surface of the first carbon nanotube, and the second carbon nanotube A fuel cell comprising a battery member having a structure straddling between the plurality of first carbon nanotubes. 前記電池用部材が電極である請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the battery member is an electrode. 前記電池用部材が、ガス拡散層である請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the battery member is a gas diffusion layer. 前記燃料電池が空気電池である請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is an air cell.
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