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公開番号2025077113
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-19
出願番号2023189059
出願日2023-11-06
発明の名称炭素シートおよびガス拡散電極の製造方法
出願人東レ株式会社
代理人
主分類H01M 4/88 20060101AFI20250512BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】炭素シート製造における、長尺炭素繊維抄紙体をロールツーロールで樹脂組成物液に含浸させる工程において、含浸槽内のターンロールの表面に樹脂組成物の析出物が堆積することを抑制する。
【解決手段】長尺炭素繊維抄紙体をロールツーロールで樹脂組成物溶液の入った含浸槽の中へ通過させる含浸工程、樹脂組成物を含浸させた炭素繊維抄紙体を加熱圧縮する成形工程、および樹脂組成物を炭化させる焼成工程を有し、前記含浸槽内部のターンロール表面の材質が撥水性である炭素シートの製造方法。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
長尺炭素繊維抄紙体をロールツーロールで樹脂組成物溶液の入った含浸槽の中へ通過させる含浸工程、樹脂組成物を含浸させた炭素繊維抄紙体を加熱圧縮する成形工程、および樹脂組成物を炭化させる焼成工程を有し、前記含浸槽内部のターンロール表面の材質が撥水性である炭素シートの製造方法。
続きを表示（約 260 文字）【請求項２】
前記ターンロール表面の材質がフッ素樹脂である請求項１に記載の炭素シートの製造方法。
【請求項３】
前記ターンロール表面の材質がポリテトラフルオロエチレンである請求項１に記載の炭素シートの製造方法。
【請求項４】
前記ターンロール表面にポリテトラフルオロエチレンのコーティング層を有する請求項１に記載の炭素シートの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の炭素シートの製造方法で製造した炭素シートに、微多孔層を形成してガス拡散電極とするガス拡散電極の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および水電解装置、特に固体高分子型の燃料電池や水電解装置に用いられる炭素シートの製造方法、また当該炭素シートを用いたガス拡散電極の製造方法に関するものである。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気化学反応によって起電力を得る固体高分子型燃料電池は、一般的に、セパレータ、ガス拡散電極、触媒層、電解質膜、触媒層、ガス拡散電極、セパレータを順に積層して構成されているセルを１つの単位として、複数のセルが直列に重ねられたスタックと呼ばれる発電ユニットから構成されている。ここで、触媒層、電解質膜、触媒層の３層の部分を触媒層付き電解質膜（ＣＣＭ：Catalyst Coated Membrane）と呼び、ＣＣＭの両側に配置するガス拡散電極を含めた５層の部分を膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と呼ぶ。
【０００３】
通常の燃料電池の動作において、アノード側では以下の反応が進行する。
Ｈ
２
→２Ｈ
＋
＋２ｅ
－
（１）
また、カソード側では以下の反応が進行する。
Ｏ
２
＋４Ｈ
＋
＋４ｅ
－
→２Ｈ
２
Ｏ（２）。
【０００４】
すなわち、水素と酸素の電気化学反応により燃料電池としての起電力を得る。また、このときに水が生成する。
【０００５】
ガス拡散電極には、セパレータから供給されるガスを触媒層へと拡散するための高いガス拡散性と、電気化学反応に伴って生成する水をセパレータへ排出するための高い排水性、および発生した電流を取り出すための高い導電性が必要である。また、燃料電池のセル内で部材の締結圧力が面内均一になるように適度なばね性が必要である。そのため、炭素繊維などの導電性繊維からなる炭素シートが広く用いられている（特許文献１）。また、ＣＣＭを保湿して乾燥を防いだり、逆に余分な水を排出したり、あるいは炭素シートから突き出た炭素繊維がＣＣＭを破損しないように保護する目的で、炭素シート表面に微多孔層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）を形成することが知られている。
【０００６】
また、以下のように燃料電池の反応とは逆の方向の反応を利用するものとして水電解装置がある。
アノード側：２Ｈ
２
Ｏ→Ｏ
２
＋４Ｈ
＋
＋４ｅ
－
（３）
カソード側：２Ｈ
＋
＋２ｅ
－
→Ｈ
２
（４）。
【０００７】
水電解装置は高電位のアノード側に水を供給し、水素と酸素を生成するものであり、産業的には主として水素製造装置として使用されている。水電解装置の場合もＣＣＭの両側にガス拡散電極を配置したＭＥＡが用いられるが、従来はガス拡散電極としてチタン繊維シートなどが用いられてきた（特許文献２）。炭素シートは水の存在下で逆電位を掛けると以下のようにＨ
＋
を生成しながら自らＣＯ
２
へと分解する。
Ｃ＋２Ｈ
２
Ｏ→ＣＯ
２
＋４Ｈ
＋
＋４ｅ
－
（５）。
【０００８】
したがって炭素シートを高電位のアノード側に用いると上記（３）の反応の代わりに上記（５）の反応が生じて炭素シートが劣化するため使用が避けられてきた。
【０００９】
しかしながら近年、高価なチタン繊維シートよりも安い炭素シートを電位が低く劣化の懸念が少ないカソードのガス拡散電極に使用するとの提案がなされている。なお、水電解装置用のガス拡散電極には排水性は特に求められていないが、ガス拡散性や導電性、ばね性などは燃料電池用塗と同様に求められる。
【００１０】
上記のガス拡散電極に用いられる長尺の炭素シートを製造する際、長尺の炭素繊維抄紙体に樹脂組成物を付着させるロールツーロールの含浸工程を設けることが知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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