JP7528445B2 - Membrane Electrode Assembly - Google Patents
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Description
本発明は、アノードとカソードの電極基材およびその間に挟まれた電解質膜とを有する燃料電池用の膜電極複合体であって、保水性の高いガス拡散層を有することにより低加湿条件下においても優れた発電性能を有する膜電極複合体に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell having anode and cathode electrode substrates and an electrolyte membrane sandwiched between them, and relates to a membrane electrode assembly having a gas diffusion layer with high water retention and thus excellent power generation performance even under low humidification conditions.
燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。 Fuel cells are a type of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing fuels such as hydrogen and methanol, and have been attracting attention in recent years as a clean energy source. Solid polymer electrolyte fuel cells in particular have a low standard operating temperature of around 100°C and a high energy density, so they are expected to be used in a wide range of applications as power generation devices for relatively small-scale distributed power generation facilities and mobile objects such as automobiles and ships. They are also attracting attention as a power source for small mobile and portable devices, and are expected to be installed in mobile phones and personal computers, replacing secondary batteries such as nickel-metal hydride batteries and lithium-ion batteries.
燃料電池は通常、燃料ガスおよび酸化ガスを触媒層へ供給するガス拡散層と、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの触媒層と、アノード触媒層とカソード触媒層間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。上記高分子電解質膜への要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられ、特に高温低加湿条件でも高いプロトン伝導性を有する必要がある。従来、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(デュポン社製)が高分子電解質膜に広く用いられてきた。ナフィオン(登録商標)はクラスター構造に起因するプロトン伝導チャネルを通じて高いプロトン伝導性を示す一方で、低加湿条件におけるプロトン伝導性に課題があった。一方、ナフィオン(登録商標)に替わり得る、炭化水素系高分子電解質膜の開発が近年活発化しており、なかでも特に、プロトン伝導性向上に向け、疎水性セグメントと親水性セグメントからなる、ブロック共重合体を用いて、ミクロ相分離構造を形成させる試みがいくつかなされているが、依然として低加湿条件下におけるプロトン伝導性は課題であった。 A fuel cell is usually constructed by a gas diffusion layer that supplies fuel gas and oxidizing gas to the catalyst layer, anode and cathode catalyst layers where the reaction responsible for generating electricity occurs, and a polymer electrolyte membrane that serves as a proton conductor between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, which constitute a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes abbreviated as MEA). The MEA is sandwiched between separators to form a cell as a unit. The required characteristics of the polymer electrolyte membrane are, first of all, high proton conductivity, and in particular, high proton conductivity even under high temperature and low humidity conditions. Conventionally, Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), a perfluorosulfonic acid-based polymer, has been widely used for polymer electrolyte membranes. While Nafion (registered trademark) exhibits high proton conductivity through proton conducting channels due to its cluster structure, there was a problem with its proton conductivity under low humidity conditions. Meanwhile, the development of hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes that can replace Nafion (registered trademark) has been intensified in recent years. In particular, in order to improve proton conductivity, several attempts have been made to form a microphase-separated structure using a block copolymer consisting of hydrophobic and hydrophilic segments, but proton conductivity under low humidity conditions remains an issue.
こうした状況から、燃料電池において、膜電極複合体中の水(特に電解質膜の含水量)を管理することが重要になる。ガス拡散層は膜電極複合体中の水の管理を担っており、電気化学反応に伴って生成する生成水や供給ガス中に含まれる水の、膜電極複合体中での保水性ならびにセパレータへの排出性を、制御する部材である。そのため、ガス拡散層中の水の挙動をコントロールすることで、燃料電池における水の制御を試みる取り組みがなされてきた。 In light of these circumstances, it is important to manage the water in the membrane electrode composite (especially the water content of the electrolyte membrane) in fuel cells. The gas diffusion layer is responsible for managing the water in the membrane electrode composite, and is the component that controls the water retention in the membrane electrode composite and the discharge to the separator of the water generated during the electrochemical reaction and the water contained in the supply gas. For this reason, efforts have been made to control the water in fuel cells by controlling the behavior of the water in the gas diffusion layer.
特許文献1には、高い排水性を保ちつつ、セパレータ流路への撓み込みを防止可能なガス拡散層に用いられる炭素シートとして、炭素シートをシート面の垂直方向(以下、面直方向)に3等分して得られる層について、一方の表面に近く層の充填率が最も大きい層を層X、他方の表面に近く層の充填率が層Xよりも小さい層を層Y、層Xと層Yの間に位置する層を層Zとすると、層の充填率が、層X、層Y、層Zの順に小さくなることを特徴とする、ガス拡散層用炭素シートが開示されている。しかしながら、特許文献1では、ガス拡散層からの排水性を高めることを目的としているため、膜電極接合体の保水性には言及しておらず、また、低加湿条件下での発電性能の向上効果を有するものではなかった。
また、特許文献2には、燃料電池の保水性を高める目的で、ガス拡散層中にカーボンブラックを含み、該カーボンブラックの粒子が凝集することによりそれら粒子間に形成される空隙に有機物を介在させることを特徴とするガス拡散層が記載されている。しかしながら、特許文献2では、カーボンブラックを含むペーストを含浸または塗工によってカーボンシートに導入しており、その充填率については言及されていない。また、上記の方法によりカーボンシート中の細孔全体にカーボンブラックを導入した場合は、カーボンシート全体でのガス拡散性が低下することが懸念される。
さらに、特許文献3では、高温・低加湿の運転条件下において、発電性能を向上させる目的で、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されるアノードガス拡散層の多孔度が60%以下であり、カソードガス拡散層の多孔度を、前記アノードガス拡散層の多孔度より大きくしたガス拡散層を用いることが記載されている。しかしながら、特許文献3では、ガス拡散層中の充填率分布については言及されておらず、シート状で且つゴム状の形状を有する上記アノードガス拡散層では、充填率分布を制御することが困難である。
Furthermore,
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高温低加湿条件下においても高分子電解質膜が十分に加湿され、高いプロトン伝導性を保つことで、発電性能を向上することのできる燃料電池を提供するものである。 In view of the background of the conventional technology, the present invention provides a fuel cell that can improve power generation performance by sufficiently humidifying the polymer electrolyte membrane and maintaining high proton conductivity even under high temperature and low humidity conditions.
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。
すなわち本発明の膜電極複合体は、電解質膜並びに電解質膜の両側に設けられた触媒層及びガス拡散層とを有する膜電極複合体であって、ガス拡散層は少なくとも多孔質炭素シートとマイクロポーラス層から構成され、該該多孔質炭素シートをシート面の垂直方向に3等分して得られる層X、Y、Zについて、電解質膜側に最も近い層を層X、他方の表面に近い層を層Y、層Xと層Yの間に位置する層を層Zとしたときに、層の充填率が、層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびおよびに層Yより小さくなることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
That is, the membrane electrode composite of the present invention is a membrane electrode composite having an electrolyte membrane, and a catalyst layer and a gas diffusion layer provided on both sides of the electrolyte membrane, the gas diffusion layer being composed of at least a porous carbon sheet and a microporous layer, and the porous carbon sheet is divided into three equal parts in the direction perpendicular to the sheet surface to obtain layers X, Y, and Z, where the layer closest to the electrolyte membrane side is layer X, the layer closest to the other surface is layer Y, and the layer located between layers X and Y is layer Z, the layer packing rate of layer X and layer Y is equal, and layer Z is smaller than layers X and Y.
本発明によれば、高温低加湿条件下において高い発電性能を有する膜電極複合体を提供することができる。 The present invention provides a membrane electrode assembly that has high power generation performance under high temperature and low humidity conditions.
以下、本発明について詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
〔膜電極複合体〕
本発明の膜電極複合体は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に設けられた触媒層と、前記触媒層の前記高分子電解質膜とは逆側に接するように設けられたガス拡散層とを有している。その際、前記ガス拡散層に含まれる多孔質炭素シートのシート面の垂直方向に3等分して得られる層X、Y、Zについて、電解質膜側に最も近い層を層X、他方の表面に近い層を層Y、層Xと層Yの間に位置する層を層Zとしたときに、層の充填率が、層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより小さくすることで、膜電極複合体としての保水性を高め、高温低加湿条件下においても高い発電性能を実現することができる。
[Membrane Electrode Assembly]
The membrane electrode assembly of the present invention includes a polymer electrolyte membrane, catalyst layers provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer provided in contact with the catalyst layer on the side opposite to the polymer electrolyte membrane. In this case, the porous carbon sheet included in the gas diffusion layer is divided into three equal parts in the vertical direction of the sheet surface to obtain layers X, Y, and Z. When the layer closest to the electrolyte membrane side is layer X, the layer closest to the other surface is layer Y, and the layer located between layers X and Y is layer Z, the layer packing rate of layer X and layer Y is equal and layer Z is smaller than layers X and Y, thereby increasing the water retention of the membrane electrode assembly and realizing high power generation performance even under high temperature and low humidification conditions.
ここで、MEAの作製方法は、
(I)ガス拡散層の一方の面に触媒層が形成されたガス拡散電極(GDE)を作成し、電解質膜と積層する方法
(II)触媒層つき電解質膜(CCM)を作成し、ガス拡散層と積層する方法
に大別される。
Here, the method for producing the MEA is as follows:
These methods can be broadly classified into two types: (I) a method in which a gas diffusion electrode (GDE) having a catalyst layer formed on one side of a gas diffusion layer is prepared, and then laminated with an electrolyte membrane; and (II) a method in which a catalyst-coated electrolyte membrane (CCM) is prepared, and then laminated with a gas diffusion layer.
(I)の方法の場合、本願に記載の特徴を有するガス拡散層の一方の面に触媒層を形成したガス拡散電極(GDE)を使用する。この場合、前記ガス拡散層に含まれる多孔質炭素シートの一方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面から、他方の表面にもっとも近い50%充填率を有する面までの区間において、前記炭素シートを面直方向に3等分して得られる層について、2番目に充填率の高い層に近い表面に触媒層を形成することで、本発明の効果を得ることができる。 In the case of method (I), a gas diffusion electrode (GDE) is used in which a catalyst layer is formed on one surface of a gas diffusion layer having the characteristics described in the present application. In this case, the effect of the present invention can be obtained by forming a catalyst layer on the surface closest to the layer with the second highest packing rate among the layers obtained by dividing the porous carbon sheet into three equal parts in the direction perpendicular to the surface in the section from the surface having a 50% packing rate closest to one surface of the porous carbon sheet contained in the gas diffusion layer to the surface having a 50% packing rate closest to the other surface.
(II)の方法の場合、アノード及びカソード電極基材(ガス拡散層)は、CCMの触媒層形成面がガス拡散層と直接接するように配置され、接合される。触媒層は白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成されることが一般的であるが、これに限定されるものではない。 In the case of method (II), the anode and cathode electrode substrates (gas diffusion layers) are arranged and joined so that the catalyst layer-forming surface of the CCM is in direct contact with the gas diffusion layer. The catalyst layer is generally formed from carbon black particles carrying platinum, but is not limited to this.
高分子電解質膜とガス拡散層の接合法は特に制限されず、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編(J. Electrochem. Soc.)、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー (Electrochemical Science and Technology),1988, 135, 9, p.2209. 記載のガス拡散電極の加熱プレス接合法など)を適用することが可能である。 The method for joining the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods (e.g., the chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p. 269, and the hot press joining method for gas diffusion electrodes described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135, 9, p. 2209, edited by the Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.)) can be used.
高分子電解質膜とガス拡散層をプレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、これらは工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から0℃~250℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましい。プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。 When the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer are integrated by pressing, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the electrolyte membrane, the moisture content, the catalyst layer, and the electrode substrate. Specific pressing methods include roll pressing with a specified pressure and clearance, and flat pressing with a specified pressure, which are preferably performed in the range of 0°C to 250°C from the viewpoints of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of polymer materials having ionic groups. It is preferable to apply as little pressure as possible from the viewpoint of protecting the electrolyte membrane and electrodes, and in the case of flat pressing, a pressure of 10 MPa or less is preferable. One of the preferable options from the viewpoint of preventing short circuits between the anode and cathode electrodes is to stack the electrodes and the electrolyte membrane to form a fuel cell without performing the composite process by pressing. In this method, when power generation is repeated as a fuel cell, deterioration of the electrolyte membrane, which is assumed to be caused by the short circuit, tends to be suppressed, and the durability of the fuel cell is good.
具体的には、電解質膜、ガス拡散層、触媒層を図2および図3に示されるように積層し、一定温度・圧力でプレスすることにより、MEAを製造することが好ましい。このような積層およびプレスは両面同時に行っても、片面ずつ行ってもよい。 Specifically, it is preferable to manufacture an MEA by stacking the electrolyte membrane, gas diffusion layer, and catalyst layer as shown in Figures 2 and 3, and pressing them at a constant temperature and pressure. Such stacking and pressing may be performed on both sides simultaneously, or one side at a time.
連続的に膜電極複合体を製造する方法としては、ロール状電解質膜を製造した後、ガス拡散層と積層し、一定温度・圧力でプレスを行う方法が挙げられる。基材、電解質膜、または基材付き電解質膜などのフィルム状部材を積層する際には、それぞれのフィルム状部材に張力をかけながら実施するのが好ましく、各工程の間にテンションカットを設ける方法などによって、変化させることができる。テンションカットは、例えばロールにモーター、クラッチ、ブレーキ等を設置したものが挙げられ、フィルムに与えられる張力を検知する検知手段を備えることが好ましい。テンションカットに用いられるローラーとして、例えば、ニップローラー、サクションローラー、または複数のローラーの組み合わせ等が挙げられる。ニップローラーは、フィルムをローラーで挟み込み、挟み込み圧力により生じる摩擦力によってフィルムの送り速度を制御し、その結果、フィルムにかかる圧力をローラーの前後で変化させることができる。サクションローラーは、表面に多くの穴の開いたローラー、またはワイヤーを巻き付けて網状または簀の子状にしたローラーの内部を吸引し、負圧にすることによって、フィルム状部材を吸い付け、その吸引力によって生じる摩擦力によってフィルム状部材の送り速度を制御し、その結果、フィルム状部材にかかる圧力をローラーの前後で変化させることができる。 A method for continuously producing a membrane electrode assembly includes a method in which a roll-shaped electrolyte membrane is produced, then laminated with a gas diffusion layer, and pressed at a constant temperature and pressure. When laminating film-like members such as a substrate, an electrolyte membrane, or an electrolyte membrane with a substrate, it is preferable to carry out the lamination while applying tension to each film-like member, and the tension can be changed by a method such as providing a tension cut between each process. For example, a tension cut may be provided by installing a motor, clutch, brake, etc. on a roll, and it is preferable to provide a detection means for detecting the tension applied to the film. Examples of rollers used for tension cut include a nip roller, a suction roller, or a combination of multiple rollers. A nip roller sandwiches a film between the rollers, and controls the feed speed of the film by the frictional force generated by the sandwiching pressure, so that the pressure applied to the film can be changed before and after the roller. Suction rollers are rollers with many holes on the surface, or rollers wrapped with wire to create a net or lattice-like shape, which attract the film-like material by creating negative pressure inside the roller, and the friction generated by the suction force controls the feed speed of the film-like material, making it possible to change the pressure applied to the film-like material before and after the roller.
〔高分子電解質膜〕
本発明の膜電極複合体に含まれる高分子電解質膜(以下単に「電解質膜」と呼ぶ場合がある)は特に限定されないが、芳香族炭化水素系ポリマーからなる電解質膜であることが好ましい。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as "electrolyte membrane") contained in the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, but is preferably an electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon-based polymer.
従来、パーフルオロスルホン酸系ポリマーが高分子電解質膜に広く用いられてきた。このポリマーはクラスター構造に起因するプロトン伝導チャネルを通じて、高いプロトン伝導性を示す一方で、多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、加えて、前述のクラスター構造により燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、膨潤乾燥によって膜の機械強度や物理的耐久性が失われるという問題、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらには、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題が指摘されてきた。 Traditionally, perfluorosulfonic acid-based polymers have been widely used in polymer electrolyte membranes. While this polymer exhibits high proton conductivity through proton-conducting channels resulting from its cluster structure, it is very expensive because it is manufactured through a multi-step synthesis, and in addition, the aforementioned cluster structure poses the problem of large fuel crossover. Other issues that have been pointed out include the loss of mechanical strength and physical durability of the membrane due to swelling and drying, a low softening point that means it cannot be used at high temperatures, and problems with disposal after use and difficulties in recycling the material.
このような欠点を克服するために、パーフルオロスルホン酸系ポリマーに替わり得る、安価で、燃料クロスオーバーを抑制し、機械強度に優れ、軟化点が高く高温での使用に耐える、炭化水素系高分子電解質膜の開発が近年活発化している。なかでも特に、低加湿プロトン伝導性向上に向け、疎水性セグメントと親水性セグメントからなる、ブロック共重合体を用いて、ミクロ相分離構造を形成させる試みがいくつかなされている。 To overcome these drawbacks, there has been active development in recent years of hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes that can replace perfluorosulfonic acid-based polymers, are inexpensive, suppress fuel crossover, have excellent mechanical strength, have a high softening point, and can withstand use at high temperatures. In particular, several attempts have been made to form a microphase-separated structure using block copolymers consisting of hydrophobic and hydrophilic segments in order to improve low-humidity proton conductivity.
このような構造のポリマーを用いることで、疎水性セグメント同士の疎水性相互作用や凝集等による機械強度向上、親水性セグメントのイオン性基同士の静電相互作用等によりクラスター化し、イオン伝導チャネルを形成することでプロトン伝導性が向上する。 By using a polymer with this structure, the mechanical strength is improved due to hydrophobic interactions and aggregation between the hydrophobic segments, and the ionic groups in the hydrophilic segments are clustered due to electrostatic interactions, forming ion-conducting channels, thereby improving proton conductivity.
これらの電解質膜中をプロトンが移動するメカニズムとして、プロトンが水和したヒドロニウムイオン自体が移動するビークル機構、ならびに基質と結合したプロトンが別の基質へとホッピングするグロータス機構が提唱されている。水分子の少ない低加湿条件下においては、グロータス機構に基づくスルホン酸基のホッピングによる移動が支配的となる。 Proposed mechanisms for the movement of protons in these electrolyte membranes include the vehicle mechanism, in which the hydronium ions themselves, which are hydrated protons, move, and the Grothus mechanism, in which protons bound to a substrate hop to another substrate. Under low humidity conditions with few water molecules, the movement by hopping of sulfonic acid groups based on the Grothus mechanism becomes dominant.
こうした状況下において、フッ素系電解質膜等の場合、分子構造の中に含まれるスルホン酸基の酸解離定数が小さく、プロトンが解離しやすいため、ホッピングによるプロトン伝導が進行しやすい。一方、炭化水素系電解質膜では、分子中のスルホン酸基の酸解離定数が、フッ素系電解質膜と比較して大きく、プロトンの解離が生じにくいため、低加湿条件下におけるプロトン伝導度の低下がフッ素系電解質膜と比較して大きくなる。 Under these circumstances, in the case of fluorine-based electrolyte membranes, etc., the acid dissociation constant of the sulfonic acid groups contained in the molecular structure is small, and protons are easily dissociated, so proton conduction by hopping is likely to proceed. On the other hand, in hydrocarbon-based electrolyte membranes, the acid dissociation constant of the sulfonic acid groups in the molecules is larger than that of fluorine-based electrolyte membranes, and proton dissociation is less likely to occur, so the decrease in proton conductivity under low humidification conditions is greater than that of fluorine-based electrolyte membranes.
ここでいう酸解離定数とはある物質の酸強度を表すための指標の一つであり、酸からプロトンが放出される解離反応における平衡定数の負の常用対数pKaによって表される。このpKaの値が小さいほど、プロトンは放出されやすく、強い酸であることを示している。本願における酸解離定数は25℃、水中における数値とする。 The acid dissociation constant referred to here is an index for expressing the acid strength of a substance, and is expressed by the negative common logarithm pKa of the equilibrium constant in the dissociation reaction in which a proton is released from an acid. The smaller the pKa value, the easier it is to release a proton, indicating a stronger acid. The acid dissociation constant in this application is a value in water at 25°C.
以上のように、酸解離定数の大きい炭化水素系電解質膜では低加湿条件下におけるプロトン伝導度の低下がフッ素系電解質膜と比較して大きいため、炭化水素系電解質膜と保水性が高いガス拡散層からなる膜電極接合体とすることで、本発明の効果がより顕著に発現する。 As described above, the decrease in proton conductivity under low humidification conditions is greater in hydrocarbon-based electrolyte membranes with large acid dissociation constants than in fluorine-based electrolyte membranes. Therefore, the effects of the present invention are more pronounced when a membrane electrode assembly is formed from a hydrocarbon-based electrolyte membrane and a gas diffusion layer with high water retention.
芳香族炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の主鎖に芳香環を有するポリマーが挙げられる。 Specific examples of aromatic hydrocarbon polymers include polymers having an aromatic ring in the main chain, such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymers, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymers, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxide, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polybenzimidazole, aromatic polyamide, polyimide, polyetherimide, and polyimide sulfone.
なお、ポリエーテルスルホンとはその分子鎖にスルホン結合を有しているポリマーの総称である。また、ポリエーテルケトンとはその分子鎖にエーテル結合およびケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むものであり、特定のポリマー構造を限定するものではない。 Polyethersulfone is a general term for polymers that have sulfone bonds in their molecular chains. Polyetherketone is a general term for polymers that have ether bonds and ketone bonds in their molecular chains, and includes polyetherketoneketone, polyetheretherketone, polyetheretherketoneketone, polyetherketoneetherketoneketone, polyetherketonesulfone, etc., and is not limited to a specific polymer structure.
これらのポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーが、機械強度、物理的耐久性、加工性および耐加水分解性の面からよく用いられている。 Among these polymers, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymers, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine phosphate, polyether phosphine phosphate, and other polymers are often used due to their mechanical strength, physical durability, processability, and hydrolysis resistance.
芳香族炭化水素系電解質ポリマーの合成方法は、前記した特性や要件を満足できれば特に限定されるものではない。かかる方法は、例えば ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of Membrane Science), 197, 2002, p.231-242 に記載がある。 The synthesis method of aromatic hydrocarbon-based electrolyte polymers is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned characteristics and requirements. Such a method is described, for example, in Journal of Membrane Science, 197, 2002, p.231-242.
一例として、重縮合反応により芳香族炭化水素系ポリマーを合成する場合の好ましい重合条件を以下に示す。重合は、0~350℃の温度範囲で行うことができるが、50~250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。 As an example, the preferred polymerization conditions for synthesizing an aromatic hydrocarbon polymer by polycondensation reaction are shown below. The polymerization can be carried out at a temperature range of 0 to 350°C, but a temperature of 50 to 250°C is preferable. If the temperature is lower than 0°C, the reaction tends not to proceed sufficiently, and if the temperature is higher than 350°C, the polymer tends to start to decompose. The reaction is preferably carried out in a solvent. Examples of solvents that can be used include aprotic polar solvents such as N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and hexamethylphosphontriamide, but are not limited to these, and any solvent that can be used as a stable solvent in an aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more types.
縮合反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5~50重量%となるようにモノマーを配合することが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。 When the condensation reaction is carried out in a solvent, it is preferable to mix the monomers so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. If the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, if the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system tends to become too high, making post-treatment of the reactants difficult.
芳香族炭化水素系ポリマーに対してイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行ってもよい。 Methods for introducing ionic groups into aromatic hydrocarbon polymers include a method of polymerization using a monomer having an ionic group, and a method of introducing ionic groups by polymer reaction. The method for polymerization using a monomer having an ionic group can be carried out by using a monomer having an ionic group in the repeating unit, and if necessary, an appropriate protecting group can be introduced and deprotected after polymerization.
イオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香環をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2-16126号公報あるいは特開平2-208322号公報等に記載の方法がある。 To explain the method of introducing ionic groups, for example, the method of sulfonating aromatic rings, i.e., the method of introducing sulfonic acid groups, is described, for example, in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322.
具体的には、例えば、芳香環をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応させたりすることによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香環をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香環をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。 Specifically, for example, aromatic rings can be sulfonated by reacting them with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting them in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. There are no particular limitations on the sulfonating agent as long as it sulfonates aromatic rings, and sulfur trioxide and the like can also be used. When sulfonating aromatic rings using this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of sulfonating agent used, the reaction temperature, and the reaction time. Sulfonimide groups can be introduced into aromatic polymers, for example, by reacting sulfonic acid groups with sulfonamide groups.
イオン性基は、負電荷を有する官能基が好ましく、特にプロトン交換能を有する官能基が好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[一般式(f2)中、Rは任意の有機基を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。 The ionic group is preferably a functional group having a negative charge, and particularly preferably a functional group having proton exchange ability. As such functional groups, sulfonic acid groups, sulfonimide groups, sulfate groups, phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, and carboxylic acid groups are preferably used. Here, the sulfonic acid group means a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group means a group represented by the following general formula (f2) [in general formula (f2), R represents any organic group. ], the sulfate group means a group represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group means a group represented by the following general formula (f4), the phosphoric acid group means a group represented by the following general formula (f5) or (f6), and the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).
かかるイオン性基は、前記官能基(f1)~(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4+(Rは任意の有機基)を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数は特に限定されない。好ましい金属イオンの具体例としては、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pdが挙げられる。中でも、本発明に用いるブロック共重合体としては、安価で、容易にプロトン置換可能なNa、K、Liが好ましく使用される。 Such an ionic group includes the case where the functional groups (f1) to (f7) are in the form of a salt. Examples of the cation that forms the salt include any metal cation and NR 4+ (R is any organic group). In the case of a metal cation, the valence is not particularly limited. Specific examples of preferred metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, Na, K, and Li, which are inexpensive and can be easily proton-substituted, are preferably used for the block copolymer used in the present invention.
これらのイオン性基はポリマー中に2種類以上含むことができ、組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決定することができる。中でも、高プロトン伝導度の点からスルホン酸基、スルホンイミド基または硫酸基を用いることがより好ましく、原料コストの点からはスルホン酸基を有することが最も好ましい。 Two or more types of these ionic groups can be contained in the polymer, and the combination can be appropriately determined depending on the structure of the polymer, etc. Among them, it is more preferable to use a sulfonic acid group, a sulfonimide group, or a sulfate group from the viewpoint of high proton conductivity, and it is most preferable to have a sulfonic acid group from the viewpoint of raw material costs.
電解質膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、20μmより厚いと発電性能が低下し、5μm未満であると大幅に耐久性や取り扱い性が低下するため、5μm以上20μm以下が好ましい。電解質膜の膜厚が5μm以上20μm以下の場合、膜中に保持される水分量が少なく、低加湿条件下において膜の乾燥が早期に進み、発電性能の低下が顕著であるため、本発明の適用が好ましい。 The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, but if it is thicker than 20 μm, the power generation performance decreases, and if it is less than 5 μm, durability and handling are significantly reduced, so a thickness of 5 μm to 20 μm is preferable. When the thickness of the electrolyte membrane is 5 μm to 20 μm, the amount of water retained in the membrane is small, and the membrane dries out quickly under low humidity conditions, resulting in a significant decrease in power generation performance, so application of the present invention is preferable.
〔触媒層〕
本発明の触媒層は、イオン伝導体と、触媒を担体上に担持した触媒担持粒子から構成される。触媒には、酸化及び還元反応に高い活性を示す白金、金、ルテニウム、イリジウムといった貴金属種が好ましく使用されるが、これに限定されるものではない。担体としては導電性を有し化学的安定性が高く、かつ高い表面積を有する炭素粒子が好ましく、特にアセチレンブラック、ケッチェンブラック、バルカンカーボンなどが挙げられる。
[Catalyst layer]
The catalyst layer of the present invention is composed of an ion conductor and catalyst-supported particles in which the catalyst is supported on a carrier. As the catalyst, noble metal species such as platinum, gold, ruthenium, and iridium, which show high activity in oxidation and reduction reactions, are preferably used, but are not limited to these. As the carrier, carbon particles having electrical conductivity, high chemical stability, and a large surface area are preferable, and in particular, acetylene black, ketjen black, vulcan carbon, etc. are mentioned.
〔ガス拡散層〕
本発明のガス拡散層は、炭素シートならびにマイクロポーラス層を含んでいる。すなわち、炭素シート上にマイクロポーラス層を形成することにより作製することができる。本発明において、炭素シートの層Xにもっとも近い表面にマイクロポーラス層を形成することで、本発明のガス拡散層とすることができる。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer of the present invention includes a carbon sheet and a microporous layer. That is, it can be produced by forming a microporous layer on a carbon sheet. In the present invention, the gas diffusion layer of the present invention can be obtained by forming a microporous layer on the surface of the carbon sheet closest to the layer X.
マイクロポーラス層はPTFEなどの撥水性樹脂と導電性フィラーから構成される。導電性フィラーとしては、炭素粉末が好ましい。炭素粉末としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ランプブラックおよびサーマルブラックなどのカーボンブラックや、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、および薄片グラファイトなどのグラファイト、カーボンナノチューブ、線状カーボン、炭素繊維のミルドファイバーなどが挙げられる。それらの中でもフィラーである炭素粉末としては、カーボンブラックがより好ましく用いられ、不純物が少ないことからアセチレンブラックが好ましく用いられる。 The microporous layer is composed of a water-repellent resin such as PTFE and a conductive filler. Carbon powder is preferred as the conductive filler. Examples of carbon powder include carbon black such as furnace black, acetylene black, lamp black, and thermal black, graphite such as flake graphite, scaly graphite, earthy graphite, artificial graphite, expanded graphite, and flake graphite, carbon nanotubes, linear carbon, and milled carbon fiber. Of these, carbon black is more preferably used as the carbon powder filler, and acetylene black is more preferably used because it contains fewer impurities.
本発明において、保水性を高めるとの観点から、マイクロポーラス層に用いられる撥水性樹脂量を低減することが好ましい。また、撥水性樹脂に代わり結着性を有する親水性樹脂を用いることでも、膜電極接合体としての保水性をさらに高めることができる。 In the present invention, from the viewpoint of increasing water retention, it is preferable to reduce the amount of water-repellent resin used in the microporous layer. In addition, the water retention of the membrane electrode assembly can be further increased by using a hydrophilic resin having binding properties instead of the water-repellent resin.
〔炭素シート〕
本発明の炭素シートは、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のため、多孔質であることが重要である。さらに本発明の炭素シートは、発生した電流を取り出すために高い導電性を有することが好ましい。このため炭素シートを得るためには、導電性を有する多孔体を用いることが好ましい。より具体的には、炭素シートを得るために用いる多孔体は、例えば、炭素繊維織物、カーボンペーパーおよび炭素繊維不織布などの炭素繊維を含む多孔体、および炭素繊維を含む炭素質の発泡多孔体を用いることが好ましい様態である。
[Carbon sheet]
It is important that the carbon sheet of the present invention is porous in order to have high gas diffusivity for diffusing the gas supplied from the separator to the catalyst layer and high drainage for discharging the water generated by the electrochemical reaction to the separator. Furthermore, the carbon sheet of the present invention preferably has high electrical conductivity in order to extract the generated current. For this reason, it is preferable to use a conductive porous body in order to obtain the carbon sheet. More specifically, the porous body used to obtain the carbon sheet is preferably a porous body containing carbon fibers such as carbon fiber woven fabric, carbon paper, and carbon fiber nonwoven fabric, and a carbonaceous foamed porous body containing carbon fibers.
中でも、耐腐食性が優れていることから、炭素シートを得るためには炭素繊維を含む多孔体を用いることが好ましく、さらには、電解質膜の面に垂直な方向(厚さ方向)の寸法変化を吸収する特性、すなわち「ばね性」に優れていることから、炭素繊維の抄紙体を炭化物(結着材)で結着してなるカーボンペーパーを用いることが好ましい態様である。 Among these, it is preferable to use a porous body containing carbon fibers to obtain a carbon sheet because of its excellent corrosion resistance, and furthermore, it is preferable to use carbon paper, which is made by binding a carbon fiber sheet with a carbide (binder), because it has excellent "springiness," i.e., the ability to absorb dimensional changes in the direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane (thickness direction).
そして、本発明の炭素シートの第一の実施形態は、シート面の垂直方向に3等分して得られる層X、Y、Zについて、電解質膜側に最も近い層を層X、他方の表面に近い層を層Y、層Xと層Yの間に位置する層を層Zとしたときに、層の充填率が、層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより小さくなることを特徴とする。ここで層の充填率とは、層を形成する面の充填率を用いて得られる平均値をいう。 The first embodiment of the carbon sheet of the present invention is characterized in that, when the layer closest to the electrolyte membrane side is called layer X, the layer closest to the other surface is called layer Y, and the layer located between layers X and Y is called layer Z, the layer packing ratios of layers X and Y are equal, and layer Z is smaller than layers X and Y. Here, the layer packing ratio refers to the average value obtained using the packing ratios of the surfaces that form the layers.
層Zの充填率が他の2層より低いことにより、層Z中に存在する細孔の径が大きくなる。それにより、ガスの拡散と水の排出を効果的に行うことができる。また、層Xの充填率と層Yの充填率を等しくすることにより、発電により層Zで発生する生成水が、層Xと層Yに均等に供給される。そのため、電解質膜への水供給とセパレータへの排水をバランスよく行うことが可能である。一方、層Yが層Zより充填率が高いため、セパレータが押しつけられた際、層Yは剛直な平面を有するため撓み込むことがない。このように層の充填率を層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより小さくなるように配置することにより、保水性とセパレータ面の撓み込みを防止することが可能である。 Because the filling rate of layer Z is lower than the other two layers, the diameter of the pores in layer Z becomes larger. This allows for effective gas diffusion and water discharge. Also, by making the filling rate of layer X and the filling rate of layer Y equal, the water generated in layer Z due to power generation is evenly supplied to layers X and Y. This allows for a balanced supply of water to the electrolyte membrane and drainage to the separator. On the other hand, because layer Y has a higher filling rate than layer Z, layer Y does not flex when the separator is pressed against it because it has a rigid flat surface. In this way, by arranging the layers so that the filling rates of layers X and Y are equal and layer Z is smaller than layers X and Y, it is possible to prevent water retention and flexing of the separator surface.
本発明の第一の実施形態において、保水性と撓み込みの防止を達成するための層の充填率は、好ましくは、層Xの充填率を1とした時に、層Yの充填率が1であり、層Zの充填率が0.97以下である。以下、層Xの充填率を1とした時の各層の充填率を、各層の充填率比とする。 In the first embodiment of the present invention, the packing ratio of layers to achieve water retention and prevention of sagging is preferably such that, when the packing ratio of layer X is 1, the packing ratio of layer Y is 1, and the packing ratio of layer Z is 0.97 or less. Hereinafter, the packing ratio of each layer when the packing ratio of layer X is 1 is referred to as the packing ratio ratio of each layer.
層Zの充填率は、層Xの充填率を1とした時に、より好ましくは0.8以下、さらに好ましくは0.7以下である。層Zの充填率を小さくすることで、炭素シート内部のガスの拡散性と内部で生じた水の排水性が顕著に向上し、耐フラッディング性が良好となる。また層Zの充填率比の下限は特に限定されないが、後加工や燃料電池スタックに用いる際に必要な強度を考慮すると、0.14以上であることが好ましい。 The packing rate of layer Z is more preferably 0.8 or less, and even more preferably 0.7 or less, when the packing rate of layer X is 1. By reducing the packing rate of layer Z, the gas diffusion inside the carbon sheet and the drainage of water generated inside are significantly improved, resulting in good flooding resistance. There is no particular lower limit to the packing rate ratio of layer Z, but considering the strength required for post-processing and use in fuel cell stacks, it is preferable that it be 0.14 or more.
このような本発明においては、層X、層Y、層Zの充填率が5~35%であると、燃料電池用ガス拡散層として用いるに求められる機械強度においてもバランスがとれた炭素シートとなるために好ましい。層X、層Y、層Zの充填率が5%以上の場合、燃料電池スタックとして組み付けた際にもセパレータから受ける力による炭素シートの破壊に抗し、また、炭素シートの製造や高次加工の際のハンドリング性が良好となる。また、層X、層Y、層Zの充填率が35%以下である場合、炭素シート内の物質移動が容易となり、ガスの拡散性や生成水の排水性が効率よく行われ、燃料電池の発電性能が著しく向上する。層Xおよび層Yの充填率は、より好ましくは8~25%、さらに好ましくは10~20%である。層Zの充填率は、5~20%、さらに好ましくは7~15%である。層X、層Y、層Zの充填率を各々好ましい範囲とすることで、機械強度と発電性能の両立を最適に図ることができる。
〔層X、層Y、および層Zの充填率の測定方法〕
以上の方法により得た炭素シートの充填率の測定方法について、以下具体的に説明する。
In the present invention, the filling rate of the layers X, Y, and Z is preferably 5 to 35%, since it is a carbon sheet with a well-balanced mechanical strength required for use as a gas diffusion layer for a fuel cell. When the filling rate of the layers X, Y, and Z is 5% or more, the carbon sheet resists destruction due to the force from the separator when assembled into a fuel cell stack, and the handling properties during the manufacture and advanced processing of the carbon sheet are good. When the filling rate of the layers X, Y, and Z is 35% or less, the material transfer within the carbon sheet becomes easy, the diffusion of gas and the drainage of generated water are efficiently performed, and the power generation performance of the fuel cell is significantly improved. The filling rates of the layers X and Y are more preferably 8 to 25%, and even more preferably 10 to 20%. The filling rate of the layer Z is 5 to 20%, and even more preferably 7 to 15%. By setting the filling rates of the layers X, Y, and Z to their respective preferred ranges, it is possible to optimally achieve both mechanical strength and power generation performance.
[Method of measuring the filling ratio of layer X, layer Y, and layer Z]
The method for measuring the packing ratio of the carbon sheet obtained by the above method will be specifically described below.
層X、層Y、および層Zの充填率は、三次元計測X線CTによって得られる。炭素シートの一方の表面から他方の表面に向かって一定の長さ毎に面直方向全域を三次元X線CTでスキャンすることで、当該炭素シートの三次元データを取得する。このような三次元データを解析することによって、測定した面における充填率を取得でき、特定の層における充填率を求めることができる。なお、上述の一定の長さ(以下、スライスピッチという)は任意に設定することができるが、炭素シートを構成する炭素繊維の単繊維の平均直径の3分の1以下とする。 The filling ratios of layers X, Y, and Z are obtained by three-dimensional measurement X-ray CT. The entire area perpendicular to the surface of the carbon sheet is scanned at regular intervals from one surface of the carbon sheet to the other surface with three-dimensional X-ray CT to obtain three-dimensional data of the carbon sheet. By analyzing such three-dimensional data, the filling ratio of the measured surface can be obtained, and the filling ratio of a specific layer can be determined. Note that the above-mentioned fixed length (hereinafter referred to as slice pitch) can be set arbitrarily, but should be no more than one-third of the average diameter of the single carbon fibers that make up the carbon sheet.
炭素シートのシート面に垂直な方向における所定の位置における面の充填率は、3次元データにおける当該位置のスライス画像を、画像処理プログラムである「J-trim」を用い、輝度で明るさの最大と最小で256段階にて区切り、最小から175階調段階の部分を閾値として二値化を行なう。全体の面積中の、二値化された明るい側の面積の割合が、所定の位置における面の充填率である。 The surface filling rate at a given position in the direction perpendicular to the surface of the carbon sheet is calculated by dividing the slice image at that position in the 3D data into 256 levels of maximum and minimum brightness using the image processing program "J-trim," and binarizing the area 175 levels from the minimum as the threshold. The proportion of the binarized bright side area to the total area is the surface filling rate at the given position.
なお、面の充填率を算出するための1回の測定視野はスライスピッチに依存するが、測定視野の合計が5mm2以上となるように複数回の測定を行って平均値を求め層の充填率を求める。 The field of view measured once to calculate the surface filling rate depends on the slice pitch, but multiple measurements are performed so that the total field of view measured is 5 mm2 or more, and the average value is calculated to determine the layer filling rate.
測定に用いるX線CTは、島津製作所製SMX-160CTSまたは同等の装置とする。また後述の実施例においては、炭素繊維の単繊維の平均直径が7μmであるため、スライスピッチは2.1μm、測定視野1070μmとして、測定視野を5mm2以上として面の充填率を求めるため、1つの面の充填率を求める際の測定回数を7回とした。 The X-ray CT used for the measurement is SMX-160CTS manufactured by Shimadzu Corporation or an equivalent device. In the examples described later, since the average diameter of a single carbon fiber is 7 μm, the slice pitch is 2.1 μm, the measurement field of view is 1070 μm, and the measurement field of view is 5 mm2 or more to determine the packing rate of the surface, so the number of measurements when determining the packing rate of one surface was 7.
〔炭素シートの製造方法〕
次に、本発明の炭素シートを製造するに好適な方法を以下、炭素繊維抄紙体を多孔体と
して用いるカーボンペーパーを代表例に具体的に説明する。
[Method of manufacturing carbon sheet]
Next, a preferred method for producing the carbon sheet of the present invention will be specifically described below, taking as a representative example carbon paper using a carbon fiber paper sheet as the porous body.
<多孔体>
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系、ピッチ系およびレーヨン系などの炭素繊維が挙げられる。中でも、機械強度に優れていることから、PAN系炭素繊維とピッチ系炭素繊維が、本発明において好ましく用いられる。
<Porous body>
Examples of carbon fibers include polyacrylonitrile (PAN)-based, pitch-based, and rayon-based carbon fibers. Among them, PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers are preferably used in the present invention because of their excellent mechanical strength.
本発明の炭素シート及びそれを得るために用いる抄紙体などの多孔体中の炭素繊維は、単繊維の平均直径が3~20μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは5~10μmの範囲内である。単繊維の平均直径が3μm以上であると、細孔の径が大きくなり排水性が向上し、フラッディングを抑制することができる。一方、単繊維の平均直径が20μm以下であると、後述の好ましい炭素シートの厚さ範囲に制御することが容易となるため好ましい。 The carbon fibers in the carbon sheet of the present invention and in the porous body such as the paper sheet used to obtain it preferably have an average single fiber diameter in the range of 3 to 20 μm, more preferably in the range of 5 to 10 μm. If the average single fiber diameter is 3 μm or more, the pore size becomes large, improving drainage and making it possible to suppress flooding. On the other hand, if the average single fiber diameter is 20 μm or less, it is preferable because it is easy to control the thickness of the carbon sheet to the preferred range described below.
本発明で用いられる炭素繊維は、単繊維の平均長さが3~20mmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは5~15mmの範囲内である。単繊維の平均長さが3mm以上であると、炭素シートが機械強度、導電性および熱伝導性が優れたものとなる。一方、単繊維の平均長さが20mm以下であると、抄紙の際の炭素繊維の分散性に優れ、均質な炭素シートが得られる。このような単繊維の平均長さを有する炭素繊維は、連続した炭素繊維を所望の長さにカットする方法などにより得られる。 The carbon fibers used in the present invention preferably have an average single fiber length in the range of 3 to 20 mm, more preferably in the range of 5 to 15 mm. If the average single fiber length is 3 mm or more, the carbon sheet will have excellent mechanical strength, electrical conductivity, and thermal conductivity. On the other hand, if the average single fiber length is 20 mm or less, the carbon fibers will be excellently dispersed during papermaking, resulting in a homogeneous carbon sheet. Carbon fibers having such an average single fiber length can be obtained by a method such as cutting continuous carbon fibers to the desired length.
炭素繊維における単繊維の平均直径や平均長さは、通常、原料となる炭素繊維についてその炭素繊維を直接観察して測定されるが、炭素シートを観察して測定することもできる。
炭素シートを得るために用いる多孔体の一形態である、抄紙により形成された炭素繊維抄紙体は、面内の導電性と熱伝導性を等方的に保つという目的で、炭素繊維が二次元平面内にランダムに分散したシート状であることが好ましい。炭素繊維抄紙体を得る際の炭素繊維の抄紙は、一回のみ行なっても、複数回積層して行なうこともできる。
The average diameter and average length of single fibers in carbon fibers are usually measured by directly observing the carbon fibers as the raw material, but they can also be measured by observing a carbon sheet.
The carbon fiber paper sheet formed by papermaking, which is one form of a porous body used to obtain a carbon sheet, is preferably in the form of a sheet in which the carbon fibers are randomly dispersed in a two-dimensional plane in order to maintain isotropic in-plane electrical conductivity and thermal conductivity. The carbon fiber paper sheet to obtain the carbon fiber paper sheet can be made only once or can be made by laminating the carbon fibers multiple times.
本発明では、炭素シートの内部剥離を防ぐために、炭素シートを所望の厚さで形成する際は、一工程で連続的に形成することが好ましい態様である。抄紙等の工程を複数回行なう方法で厚く形成することは、不連続な面が面直方向に形成されてしまい、炭素シートを曲げた際に応力が集中して内部剥離の原因となってしまうことがある。 In the present invention, in order to prevent internal peeling of the carbon sheet, it is preferable to form the carbon sheet to the desired thickness continuously in one process. If a thick sheet is formed by performing a papermaking process or other process multiple times, discontinuous surfaces will be formed in the direction perpendicular to the surface, and stress will be concentrated when the carbon sheet is bent, which may cause internal peeling.
内部剥離を防ぐという観点から、具体的には、炭素繊維の単繊維の平均直径は、炭素シートの一方の表面から求めた炭素繊維の単繊維の平均直径と、他方の表面から求めた炭素繊維の単繊維の平均直径について、その比率が0.5以上1以下であることが好ましい。ここで、平均直径が同じ場合、比率は1であり、平均直径が異なる場合は、比率は小さい平均直径/大きい平均直径とする。 Specifically, from the viewpoint of preventing internal peeling, it is preferable that the ratio between the average diameter of the carbon fiber single fibers measured from one surface of the carbon sheet and the average diameter of the carbon fiber single fibers measured from the other surface is 0.5 or more and 1 or less. Here, when the average diameters are the same, the ratio is 1, and when the average diameters are different, the ratio is the smaller average diameter/the larger average diameter.
また、一方の表面から求めた炭素繊維の単繊維の平均長さと、他方の表面から求めた炭素繊維の単繊維の平均長さについて、その差が0mm以上10mm以下であることが好ましい。前記比率及び前記差がこれらの範囲であれば、炭素繊維を含む多孔体において炭素繊維の分散状態を均一にでき、多孔体の密度や厚さのばらつきを低減できる。このような多孔体で作製された炭素シートおよびガス拡散層は表面平滑性に優れるので、膜電極接合体とした際に触媒層および電解質膜と均一な密着状態を実現でき、良好な発電性能を得られる。 It is also preferable that the difference between the average length of the single carbon fiber measured from one surface and the average length of the single carbon fiber measured from the other surface is 0 mm or more and 10 mm or less. If the ratio and the difference are within these ranges, the carbon fibers can be uniformly dispersed in the porous body containing the carbon fibers, and the variation in density and thickness of the porous body can be reduced. Carbon sheets and gas diffusion layers made from such porous bodies have excellent surface smoothness, so that when they are made into a membrane electrode assembly, a uniform adhesion state with the catalyst layer and electrolyte membrane can be achieved, and good power generation performance can be obtained.
<樹脂組成物の含浸>
本発明の炭素シートを得る際においては、炭素繊維抄紙体などの炭素繊維を含む多孔体などに結着材となる樹脂組成物が含浸される。
<Impregnation of Resin Composition>
When obtaining the carbon sheet of the present invention, a porous body containing carbon fibers, such as a carbon fiber paper sheet, is impregnated with a resin composition that serves as a binder.
本発明において、炭素繊維を含む多孔体に結着材となる樹脂組成物を含浸する方法としては、樹脂組成物を含む溶液中に多孔体を浸漬する方法、樹脂組成物を含む溶液を多孔体に塗布する方法、および樹脂組成物からなるフィルムに多孔体を積層し貼り合わせる方法などが用いられる。中でも、生産性が優れることから、樹脂組成物を含む溶液中に多孔体を浸漬する方法が特に好ましく用いられる。なお、炭素繊維を含む多孔体に、結着材となる樹脂組成物を含浸したものを「予備含浸体」と記載することがある。 In the present invention, methods for impregnating a porous body containing carbon fibers with a resin composition that serves as a binder include immersing the porous body in a solution containing the resin composition, applying a solution containing the resin composition to the porous body, and laminating and bonding a film made of the resin composition. Among these, the method of immersing the porous body in a solution containing the resin composition is particularly preferred because of its excellent productivity. Note that a porous body containing carbon fibers that has been impregnated with a resin composition that serves as a binder is sometimes referred to as a "pre-impregnated body."
本発明の炭素シートは、層の充填率が、層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより小さくなることが特徴である。なお、本発明において、充填率の数値の差が0.2%以下であれば等しいとみなす。逆に、充填率の数値の差が0.2%より大きければ、一方の充填率は他方の充填率より小さいとみなす。このような本発明の炭素シートは、樹脂組成物を多孔体に含浸させる際に、含浸させる樹脂組成物の量を層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより小さくなるようにすることにより得ることができる。このため、炭素繊維を含む抄紙体に、結着材となる樹脂組成物を浸漬等により全体に均一に含浸させた後、乾燥前に過剰に付着している樹脂組成物を除去することにより、炭素シートの面直方向の樹脂組成物の量を制御し分布させることで、各層の充填率を制御することができる。 The carbon sheet of the present invention is characterized in that the filling rates of layers X and Y are equal, and layer Z is smaller than layers X and Y. In the present invention, if the difference in the numerical values of the filling rates is 0.2% or less, they are considered to be equal. Conversely, if the difference in the numerical values of the filling rates is greater than 0.2%, one filling rate is considered to be smaller than the other filling rate. Such a carbon sheet of the present invention can be obtained by impregnating a porous body with a resin composition so that the amount of resin composition to be impregnated is equal in layers X and Y, and layer Z is smaller than layers X and Y. For this reason, the paper sheet containing carbon fibers is uniformly impregnated with the resin composition that serves as a binder by immersion or the like, and then the excess resin composition adhering to the carbon sheet is removed before drying, thereby controlling and distributing the amount of resin composition in the direction perpendicular to the surface of the carbon sheet, thereby controlling the filling rate of each layer.
一例としては、炭素繊維抄紙体を、樹脂組成物を含んだ溶液に浸漬させた後、乾燥させる前に両方の表面から樹脂組成物を含んだ溶液を吸い取ることや、炭素繊維抄紙体の両面に絞りロールを通すことができる。これにより、絞りロールによって面Xならびに面Yの近傍の付着量を均等にすることができる。一方で、樹脂組成物は乾燥工程において溶剤が表面から揮発するために、表面に樹脂組成物を多く分布させることができ、結果として炭素シートにおいて、結着材の量は層Xと層Yとで等しく、層Zは層Xならびに層Yより少なくなるように変化させることができる。 As an example, the carbon fiber sheet can be immersed in a solution containing the resin composition, and then the solution containing the resin composition can be absorbed from both surfaces before drying, or a squeeze roll can be passed over both sides of the carbon fiber sheet. This allows the amount of adhesion near surface X and surface Y to be made uniform by the squeeze roll. On the other hand, since the solvent of the resin composition evaporates from the surface during the drying process, the resin composition can be distributed in large amounts on the surface, and as a result, the amount of binder in the carbon sheet can be changed so that it is equal in layers X and Y, and less in layer Z than layers X and Y.
予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物は、焼成時に炭化して導電性の炭化物である結着材となる樹脂組成物が好ましい。予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物は、樹脂成分に溶媒などを必要に応じて添加したものをいう。ここで、樹脂成分とは、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などの樹脂を含み、さらに、必要に応じて炭素粉末や界面活性剤などの添加物を含むものである。 The resin composition used in producing the pre-impregnated body is preferably a resin composition that is carbonized during firing to become a binder that is a conductive carbide. The resin composition used in producing the pre-impregnated body refers to a resin component to which a solvent or the like is added as necessary. Here, the resin component includes resins such as thermosetting resins and thermoplastic resins, and further includes additives such as carbon powder and surfactants as necessary.
より詳しくは、予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物に含まれる樹脂成分の炭化収率が40質量%以上であることが好ましい。炭化収率は、40質量%以上であると、炭素シートが機械特性、導電性および熱伝導性の優れたものとなる。樹脂組成物中の樹脂成分の炭化収率は特に上限はないが、通常60質量%程度である。 More specifically, it is preferable that the carbonization yield of the resin component contained in the resin composition used in producing the pre-impregnated body is 40% by mass or more. If the carbonization yield is 40% by mass or more, the carbon sheet will have excellent mechanical properties, electrical conductivity, and thermal conductivity. There is no particular upper limit to the carbonization yield of the resin component in the resin composition, but it is usually about 60% by mass.
予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物中の樹脂成分を構成する樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂およびフラン樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。中でも、炭化収率が高いことから、フェノール樹脂が好ましく用いられる。 The resins constituting the resin component in the resin composition used to manufacture the pre-impregnated body include thermosetting resins such as phenolic resin, epoxy resin, melamine resin, and furan resin. Among these, phenolic resin is preferably used because of its high carbonization yield.
また、樹脂成分に必要に応じて添加する添加物としては、予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物中の樹脂成分として、炭素シートの機械特性、導電性および熱伝導性を向上させる目的で、炭素粉末を用いることができる。ここで、炭素粉末としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ランプブラックおよびサーマルブラックなどのカーボンブラック、燐片状黒鉛、燐状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など薄片グラファイトなどのグラファイト、カーボンナノチューブ、線状カーボン、炭素繊維のミルドファイバーなどを用いることができる。 Additionally, as an additive to be added to the resin component as required, carbon powder can be used as a resin component in the resin composition used to manufacture the pre-impregnated body, for the purpose of improving the mechanical properties, electrical conductivity, and thermal conductivity of the carbon sheet. Here, examples of carbon powder that can be used include carbon black such as furnace black, acetylene black, lamp black, and thermal black; graphite such as flake graphite, phosphorus graphite, earthy graphite, artificial graphite, and expanded graphite; carbon nanotubes, linear carbon, and milled carbon fiber.
予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物は、前述の構成により得られた樹脂成分をそのまま使用することもできるし、必要に応じて、炭素繊維抄紙体などの多孔体への含浸性を高める目的で、各種溶媒を含むことができる。ここで、溶媒としては、メタノール、エタノールおよびイソプロピルアルコールなどを用いることができる。 The resin composition used in producing the pre-impregnated body can be the resin component obtained by the above-mentioned configuration as it is, or can contain various solvents as necessary to improve the impregnation of porous bodies such as carbon fiber paper bodies. Here, examples of the solvent that can be used include methanol, ethanol, and isopropyl alcohol.
予備含浸体を製造する際に用いる樹脂組成物は、25℃の温度で、0.1MPaの状態で液状であることが好ましい。樹脂組成物が液状であると抄紙体への含浸性が優れ、得られる炭素シートが機械特性、導電性および熱伝導性に優れたものとなる。 The resin composition used in producing the pre-impregnated body is preferably liquid at a temperature of 25°C and a pressure of 0.1 MPa. When the resin composition is liquid, it has excellent impregnation properties into the paper body, and the resulting carbon sheet has excellent mechanical properties, electrical conductivity, and thermal conductivity.
含浸する際には、予備含浸体中の炭素繊維100質量部に対して、樹脂成分が30~400質量部となるように樹脂組成物を含浸することが好ましく、50~300質量部となるように含浸することがより好ましい態様である。予備含浸体中の炭素繊維100質量部に対する、樹脂成分が30質量部以上であると、炭素シートが機械特性、導電性および熱伝導性の優れたものとなる。一方、予備含浸体中の炭素繊維100質量部に対する、樹脂成分が400質量部以下であると、炭素シートが面内方向のガス拡散性と面直方向のガス拡散性の優れたものとなる。 When impregnating, it is preferable to impregnate the carbon fiber in the pre-impregnated body with 30 to 400 parts by mass of the resin component, and more preferably with 50 to 300 parts by mass. When the resin component is 30 parts by mass or more per 100 parts by mass of carbon fiber in the pre-impregnated body, the carbon sheet has excellent mechanical properties, electrical conductivity, and thermal conductivity. On the other hand, when the resin component is 400 parts by mass or less per 100 parts by mass of carbon fiber in the pre-impregnated body, the carbon sheet has excellent gas diffusion in the in-plane direction and gas diffusion perpendicular to the plane.
<貼り合わせと熱処理>
本発明においては、炭素繊維抄紙体などの多孔体に樹脂組成物を含浸した予備含浸体を形成した後、炭化を行うに先立って、予備含浸体を貼り合わせたり予備含浸体に熱処理を行うことができる。
<Bonding and heat treatment>
In the present invention, after forming a pre-impregnated body by impregnating a porous body such as a carbon fiber paper body with a resin composition, the pre-impregnated body can be laminated or heat-treated prior to carbonization.
本発明において、炭素シートを所定の厚さにする目的で、予備含浸体を複数枚貼り合わせることができる。この場合、同一の性状を有する予備含浸体を複数枚貼り合わせることもできるし、異なる性状を有する予備含浸体を複数枚貼り合わせることもできる。具体的には、炭素繊維の単繊維の平均直径や平均長さ、予備含浸体を得る際に用いる炭素繊維抄紙体などの多孔体の炭素繊維の目付、および樹脂成分の含浸量などが異なる複数の予備含浸体を貼り合わせることもできる。 In the present invention, multiple pre-impregnated bodies can be laminated together in order to obtain a carbon sheet with a predetermined thickness. In this case, multiple pre-impregnated bodies having the same properties can be laminated together, or multiple pre-impregnated bodies having different properties can be laminated together. Specifically, multiple pre-impregnated bodies having different average diameters and average lengths of single carbon fibers, carbon fiber weight per unit area of a porous body such as a carbon fiber paper used to obtain the pre-impregnated body, and impregnation amounts of resin components can be laminated together.
一方、貼り合わせることにより面直方向に不連続な面が形成されることになり、内部隔離が生じることがあるので、本発明では炭素繊維抄紙体などの多孔体を貼り合わせずに一枚のみで用い、これに対し熱処理を行なうことが望ましい。 On the other hand, lamination can result in discontinuous surfaces in the direction perpendicular to the surface, which can lead to internal isolation. Therefore, in the present invention, it is preferable to use only one sheet of a porous body such as a carbon fiber paper sheet without laminating it, and to perform heat treatment on this sheet.
また、予備含浸体中の樹脂組成物を増粘および部分的に架橋する目的で、予備含浸体を熱処理することができる。熱処理する方法としては、熱風を吹き付ける方法、プレス装置などの熱板にはさんで加熱する方法、および連続ベルトに挟んで加熱する方法などを用いることができる。 The pre-impregnated body can also be heat-treated to thicken and partially crosslink the resin composition in the pre-impregnated body. Methods for heat treatment that can be used include blowing hot air onto the pre-impregnated body, heating the pre-impregnated body by sandwiching it between hot plates of a press or the like, and heating the pre-impregnated body by sandwiching it between continuous belts.
<炭化>
本発明において、炭素繊維抄紙体などの多孔体に樹脂組成物を含浸して予備含浸体とした後、樹脂組成物を炭化するために、不活性雰囲気下で焼成を行う。この焼成は、バッチ式の加熱炉を用いることもできるし、連続式の加熱炉を用いることもできる。また、不活性雰囲気は、炉内に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを流すことにより得ることができる。
<Carbonization>
In the present invention, after impregnating a porous body such as a carbon fiber paper body with a resin composition to obtain a pre-impregnated body, the resin composition is calcined in an inert atmosphere to carbonize the resin composition. This calcination can be performed using a batch-type heating furnace or a continuous-type heating furnace. The inert atmosphere can be obtained by flowing an inert gas such as nitrogen gas or argon gas into the furnace.
焼成の最高温度は1300~3000℃の範囲内であることが好ましく、より好ましくは1700~3000℃の範囲内であり、さらに好ましくは1900~3000℃の範囲内である。最高温度が1300℃以上であると、予備含浸体中の樹脂成分の炭化が進み、炭素シートが導電性と熱伝導性に優れたものとなる。一方、最高温度が3000℃以下であると、加熱炉の運転コストが低くなる。 The maximum firing temperature is preferably in the range of 1300 to 3000°C, more preferably in the range of 1700 to 3000°C, and even more preferably in the range of 1900 to 3000°C. If the maximum temperature is 1300°C or higher, the resin components in the pre-impregnated body are carbonized, and the carbon sheet has excellent electrical and thermal conductivity. On the other hand, if the maximum temperature is 3000°C or lower, the operating costs of the heating furnace are reduced.
本発明において、炭素繊維抄紙体などの多孔体に樹脂組成物を含浸した後、炭化したものを、「炭素繊維焼成体」と記載することがある。つまり炭素シートとは、炭素繊維焼成体を意味し、撥水加工がされる前の炭素繊維焼成体も、撥水加工がされた後の炭素繊維焼成体も、いずれも炭素シートに該当する。 In the present invention, a porous body such as a carbon fiber paper sheet that is impregnated with a resin composition and then carbonized may be referred to as a "carbon fiber sintered body." In other words, a carbon sheet means a carbon fiber sintered body, and both a carbon fiber sintered body before water repellent treatment and a carbon fiber sintered body after water repellent treatment are included in the carbon sheet.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.
〔電解質膜の合成〕
[合成例1]
下記一般式(G1)で表される2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン(K-DHBP)の合成
[Synthesis of electrolyte membrane]
[Synthesis Example 1]
Synthesis of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the following general formula (G1):
攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、4,4′-ジヒドロキシベンゾフェノン49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp-トルエンスルホン酸1水和物0.50gを仕込み溶解する。その後78~82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mlで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mlを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン52.0gを得た。この結晶をGC分析したところ99.8%の2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソランと0.2%の4,4′-ジヒドロキシベンゾフェノンであった。 49.5 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone, 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate, and 0.50 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate were charged and dissolved in a 500 ml flask equipped with a stirrer, thermometer, and distillation tube. The mixture was then stirred and kept at 78-82°C for 2 hours. The internal temperature was then gradually raised to 120°C, and the mixture was heated until the distillation of methyl formate, methanol, and trimethyl orthoformate completely stopped. After cooling the reaction solution to room temperature, the reaction solution was diluted with ethyl acetate, the organic layer was washed with 100 ml of a 5% aqueous potassium carbonate solution, and the solvent was distilled off. 80 ml of dichloromethane was added to the residue to precipitate crystals, which were then filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane. GC analysis of the crystals revealed that they were 99.8% 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane and 0.2% 4,4'-dihydroxybenzophenone.
[合成例2]
下記一般式(G2)で表されるジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンの合成
[Synthesis Example 2]
Synthesis of
4,4’-ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO3)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造は1H-NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。
109.1 g of 4,4'-difluorobenzophenone (Aldrich reagent) was reacted in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at 100°C for 10 hours. Then, the mixture was gradually poured into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of salt was added to precipitate the synthesized product. The resulting precipitate was filtered and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain
[合成例3]
下記一般式(G5)で表されるポリマーからなるポリエーテルケトン系高分子電解質膜の合成
[Synthesis Example 3]
Synthesis of a polyetherketone-based polymer electrolyte membrane made of a polymer represented by the following general formula (G5):
炭酸カリウム6.91g、前記合成例1で得たイオン性基を有するジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノン7.30g、前記合成例2で得た加水分解性基を有する2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン10.3g、4,4’-ジフルオロベンゾフェノン5.24gを用いて、N-メチルピロリドン(NMP)中、210℃で重合を行った。
Polymerization was carried out in N-methylpyrrolidone (NMP) at 210°C using 6.91 g of potassium carbonate, 7.30 g of
得られたブロックポリマーを溶解させた25重量%N-メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下150℃で10分間熱処理し、ポリケタールケトン膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。95℃で10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。
〔プロトン伝導度の測定〕
電解質膜を25℃の純水に24時間浸漬した後、80℃、相対湿度25~90%の恒温恒湿槽中にそれぞれのステップで30分保持し、定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。電解質膜には、芳香族炭化水素系ポリマーを用いたポリエーテルケトン系高分子電解質膜と市販のパーフルオロカーボン系電解質膜(Nafion(登録商標)211)を使用した。
A 25 wt % N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the obtained block polymer was dissolved was pressure-filtered using a glass fiber filter, cast onto a glass substrate, dried at 100° C. for 4 hours, and then heat-treated at 150° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a polyketal ketone membrane. The solubility of the polymer was extremely good. The membrane was immersed in a 10 wt % aqueous sulfuric acid solution at 95° C. for 24 hours to carry out proton substitution and deprotection reactions, and then immersed in a large excess of pure water for 24 hours to thoroughly wash, to obtain a polymer electrolyte membrane.
[Measurement of proton conductivity]
The electrolyte membrane was immersed in pure water at 25°C for 24 hours, and then held in a thermohygrostat at 80°C and 25-90% relative humidity for 30 minutes at each step, and the proton conductivity was measured by a constant potential AC impedance method. A polyetherketone-based polymer electrolyte membrane using an aromatic hydrocarbon polymer and a commercially available perfluorocarbon-based electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 211) were used as the electrolyte membrane.
測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用し、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、50mVとした。サンプルは幅10mm、長さ50mmの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板(厚さ100μm、2枚)を使用した。電極は電極間距離10mm、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。測定温度は80℃、相対湿度25%および90%におけるプロトン伝導度を測定した。 The measurement equipment used was a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer), and proton conductivity was determined by performing constant potential impedance measurement using the two-terminal method. The AC amplitude was 50 mV. A membrane with a width of 10 mm and a length of 50 mm was used as the sample. The measurement tool was made of phenolic resin, and the measurement area was left open. Platinum plates (thickness 100 μm, two sheets) were used as electrodes. The electrodes were arranged on the front and back sides of the sample membrane, with an interelectrode distance of 10 mm, parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample membrane. Proton conductivity was measured at a measurement temperature of 80°C and relative humidity of 25% and 90%.
〔炭素シートの作製〕
・厚さ150μmの炭素シートの作製
東レ(株)製ポリアクリルニトリル系炭素繊維“トレカ”(登録商標)T300(単繊維の平均直径:7μm)を短繊維の平均長さ12mmにカットし、水中に分散させて湿式抄紙法により連続的に抄紙した。さらに、バインダーとしてポリビニルアルコールの10質量%水溶液を当該抄紙に塗布して乾燥させ、炭素繊維の目付が10.0g/m2の炭素繊維抄紙体を作製した。ポリビニルアルコールの塗布量は、炭素繊維抄紙体100質量部に対して22質量部であった。
[Preparation of carbon sheet]
- Preparation of a carbon sheet with a thickness of 150 μm Toray Industries, Inc.'s polyacrylonitrile carbon fiber "TORAYCA" (registered trademark) T300 (average diameter of single fiber: 7 μm) was cut into short fibers with an average length of 12 mm, dispersed in water, and continuously made into paper by a wet papermaking method. Furthermore, a 10% by mass aqueous solution of polyvinyl alcohol as a binder was applied to the paper and dried to prepare a carbon fiber paper body with a basis weight of 10.0 g/m2. The amount of polyvinyl alcohol applied was 22 parts by mass per 100 parts by mass of the carbon fiber paper body.
次に、熱硬化性樹脂としてレゾール型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂を1:1の質量比で混合した樹脂組成物と、炭素粉末として鱗片状黒鉛(平均粒径5μm)と、溶媒としてメタノールを用い、熱硬化性樹脂/炭素粉末/溶媒=10質量部/5質量部/85質量部の配合比でこれらを混合し、超音波分散装置を用いて1分間撹拌を行い、均一に分散した樹脂組成物を得た。 Next, a resin composition in which a resol-type phenolic resin and a novolac-type phenolic resin were mixed in a mass ratio of 1:1 as the thermosetting resin, flake graphite (average particle size 5 μm) as the carbon powder, and methanol as the solvent were mixed in a ratio of thermosetting resin/carbon powder/solvent = 10 parts by mass/5 parts by mass/85 parts by mass, and the mixture was stirred for 1 minute using an ultrasonic dispersion device to obtain a uniformly dispersed resin composition.
次に、15cm×12.5cmにカットした炭素繊維抄紙体をアルミバットに満たした樹脂組成物の含浸液に水平に浸漬し、ロールで挟んで絞り含浸させた。この際、ロールは一定のクリアランスをあけて水平に2本配置して炭素繊維抄紙体を垂直に上に引き上げることで全体の樹脂組成物の付着量を調整した。また、両面から同じ形状のロールで挟み液を絞ることで、樹脂組成物の付着量を均一化した。その後、100℃の温度で5分間加熱して乾燥させ、予備含浸体を作製した。次に、平板プレスで加圧しながら、180℃の温度で5分間熱処理を行った。加圧の際に平板プレスにスペーサーを配置して、熱処理後の予備含浸体の厚さが50μmになるように、上下プレス面板の間隔を調整した。こうして高密度の厚さ50μmの炭素シート用予備含浸体を作製した。また、この予備含浸体の樹脂の付着において、より樹脂組成物を取り除く量を調整することで、中密度の厚さ50μmの炭素シート用予備含浸体を作製した。高密度の炭素シート用予備含浸体2枚と中密度の炭素シート用予備含浸体1枚を、高密度、中密度、高密度の順に積層し、加熱加圧を行った。 Next, the carbon fiber paper cut to 15 cm x 12.5 cm was immersed horizontally in the impregnation liquid of the resin composition filled in an aluminum bat, and was squeezed and impregnated by sandwiching it between rolls. At this time, two rolls were placed horizontally with a certain clearance between them, and the carbon fiber paper was pulled up vertically to adjust the overall amount of resin composition attached. In addition, the amount of resin composition attached was made uniform by sandwiching it between rolls of the same shape from both sides and squeezing the liquid. After that, the pre-impregnated body was heated at a temperature of 100 ° C for 5 minutes and dried to prepare a pre-impregnated body. Next, while pressing with a flat plate press, heat treatment was performed at a temperature of 180 ° C for 5 minutes. During pressing, a spacer was placed on the flat plate press to adjust the distance between the upper and lower press plates so that the thickness of the pre-impregnated body after heat treatment was 50 μm. In this way, a high-density pre-impregnated body for carbon sheet with a thickness of 50 μm was prepared. In addition, by adjusting the amount of resin composition removed in the adhesion of the resin to this pre-impregnated body, a medium-density pre-impregnated body for carbon sheet with a thickness of 50 μm was prepared. Two sheets of pre-impregnated high-density carbon sheets and one sheet of pre-impregnated medium-density carbon sheets were stacked in the order of high density, medium density, and high density, and then heated and pressed.
この予備含浸体を加熱加圧処理した基材を、加熱炉において、窒素ガス雰囲気に保たれた最高温度が2400℃の加熱炉に導入し、炭素繊維焼成体からなる炭素シートを得た。 The substrate, which had been subjected to a heating and pressurizing treatment using this pre-impregnated body, was then introduced into a heating furnace maintained in a nitrogen gas atmosphere with a maximum temperature of 2400°C, yielding a carbon sheet made of sintered carbon fiber.
上記にて作製した炭素シートを、PTFE樹脂の水分散液(“ポリフロン”(登録商標)PTFEディスパージョンD-1E(ダイキン工業(株)製)ないしはFEP樹脂(“ネオフロン”(登録商標)FEPディスパージョンND-110(ダイキン工業(株)製))の水分散液に浸漬することにより、炭素繊維焼成体に撥水材を含浸した。その後、温度が100℃の乾燥機炉内で5分間加熱し乾燥し、撥水加工された炭素シートを作製した。なお、乾燥する際は、炭素シートを垂直に配置し、1分毎に上下方向を変更した。また、撥水材の水分散液は、乾燥後で炭素シート95質量部に対し、撥水材が5質量部付与されるように適切な濃度に希釈して使用した。目付が45g/m2で、厚さが150μm炭素シートを作製した。 The carbon fiber sintered body was impregnated with the water-repellent material by immersing the carbon sheet prepared above in an aqueous dispersion of PTFE resin ("Polyflon" (registered trademark) PTFE dispersion D-1E (manufactured by Daikin Industries, Ltd.)) or an aqueous dispersion of FEP resin ("Neoflon" (registered trademark) FEP dispersion ND-110 (manufactured by Daikin Industries, Ltd.)). The carbon sheet was then heated and dried for 5 minutes in a drying oven at 100°C to produce a water-repellent carbon sheet. During drying, the carbon sheet was placed vertically and the up-down direction was changed every minute. The aqueous dispersion of the water-repellent material was diluted to an appropriate concentration so that 5 parts by mass of the water-repellent material was applied to 95 parts by mass of the carbon sheet after drying. A carbon sheet with a basis weight of 45 g/m2 and a thickness of 150 μm was produced.
〔ガス拡散層の作製〕
[材料]
・炭素粉末A:アセチレンブラック:“デンカ ブラック”(登録商標)(電気化学工業(株)製)
・炭素粉末B:線状カーボン:“VGCF”(登録商標)(昭和電工(株)製) アスペクト比70
・材料C:撥水材:PTFE樹脂(PTFE樹脂を60質量部含む水分散液である“ポリフロン”(登録商標)PTFEディスパージョンD-1E(ダイキン工業(株)製)を使用)
・材料D:界面活性剤“TRITON”(登録商標)X-100(ナカライテスク(株)製)
上記の各材料を分散機を用いて混合し、フィラー含有塗液を形成した。このフィラー含有塗液をスリットダイコーターを用いて、撥水加工された炭素シートの一方の表面上に面状に塗布した後、120℃の温度で10分間、続いて380℃の温度で10分間加熱した。このようにして、撥水加工された炭素シート上にマイクロポーラス層を形成して、ガス拡散層を作製した。ここで用いたフィラー含有塗液には、炭素粉末、撥水材、界面活性剤および精製水を用い、表に示す、配合量を質量部で記載したカーボン塗液の組成となるように調整したものを用いた。表に示した材料C(PTFE樹脂)の配合量は、PTFE樹脂の水分散液の配合量ではなく、PTFE樹脂自体の配合量を表す。
[Preparation of gas diffusion layer]
[material]
Carbon powder A: Acetylene black: "Denka Black" (registered trademark) (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.)
Carbon powder B: Linear carbon: "VGCF" (registered trademark) (manufactured by Showa Denko K.K.) Aspect ratio 70
Material C: Water-repellent material: PTFE resin (Polyflon (registered trademark) PTFE dispersion D-1E (manufactured by Daikin Industries, Ltd.), which is an aqueous dispersion containing 60 parts by mass of PTFE resin, is used)
Material D: Surfactant "TRITON" (registered trademark) X-100 (manufactured by Nacalai Tesque, Inc.)
The above materials were mixed using a disperser to form a filler-containing coating liquid. This filler-containing coating liquid was applied to one surface of a water-repellent carbon sheet using a slit die coater, and then heated at a temperature of 120 ° C for 10 minutes, followed by heating at a temperature of 380 ° C for 10 minutes. In this way, a microporous layer was formed on the water-repellent carbon sheet to produce a gas diffusion layer. The filler-containing coating liquid used here was prepared by adjusting the composition of the carbon coating liquid shown in the table, using carbon powder, a water-repellent material, a surfactant, and purified water, with the blending amount shown in the table being described in parts by mass. The blending amount of material C (PTFE resin) shown in the table does not represent the blending amount of the aqueous dispersion of PTFE resin, but the blending amount of the PTFE resin itself.
〔高温低加湿発電評価(発電性能)〕
実施例記載の方法で作製した膜電極複合体を英和(株)製 JARI標準セル“Ex-1”(電極面積25cm2)にセットして発電評価用モジュールとし、下記条件で発電評価を行い、電圧が0.2V以下になるまで0A/cm2から1.2A/cm2まで電流を掃引した。本発明では電流密度1A/cm2時の電圧を比較した。なお、膜電極複合体を上記セルにセットする際に、0.7GPaの圧力を負荷した。
電子負荷装置;菊水電子工業社製 電子負荷装置“PLZ664WA”
セル温度;常時80℃
ガス加湿条件;30%RHもしくは90%RH
ガス利用率;アノードは量論の70%、カソードは量論の40%。
[High temperature and low humidity power generation evaluation (power generation performance)]
The membrane electrode assembly prepared by the method described in the Examples was set in a JARI standard cell "Ex-1" (electrode area 25 cm2 ) manufactured by Eiwa Co., Ltd. to prepare a module for power generation evaluation, and power generation evaluation was performed under the following conditions, sweeping the current from 0 A/ cm2 to 1.2 A/ cm2 until the voltage reached 0.2 V or less. In the present invention, the voltage at a current density of 1 A/ cm2 was compared. Note that a pressure of 0.7 GPa was applied when the membrane electrode assembly was set in the above cell.
Electronic load device: Kikusui Electronics Co., Ltd. Electronic load device "PLZ664WA"
Cell temperature: always 80°C
Gas humidification conditions: 30% RH or 90% RH
Gas utilization: anode is 70% of stoichiometric, cathode is 40% of stoichiometric.
[実施例1]
上記〔電解質膜の合成〕に記載した合成法を用いてポリエーテルケトン系高分子電解質膜(膜厚:10μm)を作製した。作製した電解質膜のプロトン伝導度は相対湿度25%において0.12S/cm2、90%において8S/cm2であった。この電解質膜(サイズ:70mm×70mm)の両側に、アノード触媒付き転写シート(サイズ:50×50mm)、カソード触媒付き転写シート(サイズ:50×50mm)を配置し、160℃、4.5MPa、5minで加熱プレスし触媒層被覆電解質膜(CCM)を作製した。
[Example 1]
A polyetherketone-based polymer electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was prepared using the synthesis method described in [Synthesis of electrolyte membrane] above. The proton conductivity of the prepared electrolyte membrane was 0.12 S/cm2 at 25% relative humidity and 8 S/cm2 at 90% relative humidity. A transfer sheet with an anode catalyst (size: 50 x 50 mm) and a transfer sheet with a cathode catalyst (size: 50 x 50 mm) were placed on both sides of this electrolyte membrane (size: 70 mm x 70 mm), and the catalyst-coated electrolyte membrane (CCM) was prepared by hot pressing at 160 °C, 4.5 MPa, and 5 min.
上記の〔ガス拡散層の作製〕に記載した作製法を用いてアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を作製した。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層に含まれる炭素シートには、〔炭素シートの作製〕に記載した特性を有する炭素シートを使用した。この炭素シートの充填率を〔層X、層Y、および層Zの充填率の測定方法〕に記載した方法で測定したところ、層Xおよび層Yの充填率は17.5%、層Zの充填率は16.7%であった。
上記CCMと、アノードガス拡散層(サイズ:50mm×50mm)及びカソードガス拡散層(サイズ:50mm×50mm)を図2(断面図)に示すように配置した。160℃、5分、4.5Maの条件で、ホットプレスを行い、膜電極複合体を作製した。
発電性能は30%RHにおいて0.50V、90%RHにおいて0.65Vであった。
The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer were produced using the production method described in [Production of gas diffusion layer] above. The carbon sheets contained in the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer were carbon sheets having the characteristics described in [Production of carbon sheet]. The packing ratio of this carbon sheet was measured using the method described in [Method of measuring the packing ratio of layer X, layer Y, and layer Z], and the packing ratio of layer X and layer Y was 17.5%, and the packing ratio of layer Z was 16.7%.
The CCM, an anode gas diffusion layer (size: 50 mm x 50 mm), and a cathode gas diffusion layer (size: 50 mm x 50 mm) were arranged as shown in Fig. 2 (cross-sectional view). A membrane electrode assembly was fabricated by hot pressing under conditions of 160°C, 5 minutes, and 4.5 Ma.
The power generation performance was 0.50 V at 30% RH and 0.65 V at 90% RH.
[実施例2]
実施例1と同様の条件にて作製したポリエーテルケトン系高分子電解質膜(膜厚:10μm、サイズ:70mm×70mm)と、ガス拡散電極(GDE)であるアノード電極(サイズ:50mm×50mm)及びカソード電極(サイズ:50mm×50mm)を図3(断面図)に示すように配置した。アノード及びカソードガス拡散電極に含まれるガス拡散層には、実施例1と同様の条件にて作製した炭素シートを含むガス拡散層を使用した。160℃、5分、4.5Maの条件で、ホットプレスを行い、膜電極複合体を作製した。
[Example 2]
A polyetherketone-based polymer electrolyte membrane (thickness: 10 μm, size: 70 mm×70 mm) prepared under the same conditions as in Example 1, and an anode electrode (size: 50 mm×50 mm) and a cathode electrode (size: 50 mm×50 mm) which are gas diffusion electrodes (GDEs) were arranged as shown in FIG. 3 (cross-sectional view). For the gas diffusion layers contained in the anode and cathode gas diffusion electrodes, gas diffusion layers containing carbon sheets prepared under the same conditions as in Example 1 were used. A membrane electrode assembly was prepared by hot pressing under conditions of 160° C., 5 minutes, and 4.5 Ma.
発電性能は30%RHにおいて0.50V、90%RHにおいて0.65Vであった。 The power generation performance was 0.50 V at 30% RH and 0.65 V at 90% RH.
[比較例1]
上記の〔炭素シートの作製〕において、中密度の厚さ50μmの炭素シート用予備含浸体3枚を積層し、加熱加圧を行ったこと以外は、実施例1に記載した方法に従って、炭素シート全体で均一な充填率を有する炭素シートを作製した。この炭素シートの充填率を〔層X、層Y、および層Zの充填率の測定方法〕に記載した方法で測定したところ、層X、層Y、および層Zの充填率は16.7%であった。ガス拡散層に含まれる炭素シートとして、この炭素シートを用いる以外は、実施例1と同じ条件にて膜電極複合体を作製した。
[Comparative Example 1]
A carbon sheet having a uniform packing rate throughout the carbon sheet was produced according to the method described in Example 1, except that in the above [Preparation of carbon sheet], three sheets of a 50 μm-thick medium-density pre-impregnated body for carbon sheet were stacked and heated and pressed. The packing rate of this carbon sheet was measured by the method described in [Method for measuring packing rates of layers X, Y, and Z], and the packing rates of layers X, Y, and Z were found to be 16.7%. A membrane electrode assembly was produced under the same conditions as in Example 1, except that this carbon sheet was used as the carbon sheet contained in the gas diffusion layer.
発電性能は30%RHにおいて0.30V、90%RHにおいて0.65Vであった。 The power generation performance was 0.30 V at 30% RH and 0.65 V at 90% RH.
[比較例2]
市販のパーフルオロカーボン系高分子電解質膜(膜厚:25μm)を用いてプロトン伝導度を測定したところ、相対湿度25%において1S/cm2、90%において6S/cm2であった。電解質膜としてこのパーフルオロカーボン系高分子電解質膜(サイズ:70mm×70mm)を用いた以外は、実施例1と同じ条件にて膜電極複合体を作製した。
[Comparative Example 2]
When the proton conductivity was measured using a commercially available perfluorocarbon-based polymer electrolyte membrane (film thickness: 25 μm), it was 1 S/cm2 at a relative humidity of 25% and 6 S/cm2 at a relative humidity of 90%. A membrane electrode assembly was produced under the same conditions as in Example 1, except that this perfluorocarbon-based polymer electrolyte membrane (size: 70 mm × 70 mm) was used as the electrolyte membrane.
発電性能は30%RHにおいて0.50V、90%RHにおいて0.60Vであった。 The power generation performance was 0.50 V at 30% RH and 0.60 V at 90% RH.
[比較例3]
電解質膜として、比較例2と同様のパーフルオロカーボン系高分子電解質膜を用いた以外は、比較例1と同じ条件にて膜電極複合体を作製した。
[Comparative Example 3]
A membrane electrode assembly was produced under the same conditions as in Comparative Example 1, except that the same perfluorocarbon polymer electrolyte membrane as in Comparative Example 2 was used as the electrolyte membrane.
発電性能は30%RHにおいて0.40V、90%RHにおいて0.60Vであった。 The power generation performance was 0.40 V at 30% RH and 0.60 V at 90% RH.
1:炭素シート
2:面X
3:面Y
4:層X
5:層Z
6:層Y
7:ガス拡散層
8:触媒層
9:電解質膜
1: Carbon sheet 2: Surface X
3: Face Y
4: Layer X
5: Layer Z
6: Layer Y
7: Gas diffusion layer 8: Catalyst layer 9: Electrolyte membrane
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