JP2005162550A - カーボンプレートへ親水性を付与する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボンの導電性を低下させることなく、長期間にわたって持続する親水性を、カーボンプレートに付与する方法を提供すること。
【解決手段】シリコンアルコキシドの重縮合物溶液にカーボンプレートを浸漬した後、熱処理することにより、カーボンプレート表面又はカーボンプレート内部の空孔表面をシリカ薄膜で被覆することによって、カーボンプレートへ親水性を付与する。カーボンプレートの熱処理温度は４００〜８００℃であること、カーボンプレートの空孔率は６０％以下であることが好ましい。本発明により親水性を付与したカーボンプレートは、親水性が長期間にわたって持続し、親水性を付与する前のカーボンプレートと比較して導電性が低下することもない。
【解決手段】シリコンアルコキシドの重縮合物溶液にカーボンプレートを浸漬した後、熱処理することにより、カーボンプレート表面又はカーボンプレート内部の空孔表面をシリカ薄膜で被覆することによって、カーボンプレートへ親水性を付与する。カーボンプレートの熱処理温度は４００〜８００℃であること、カーボンプレートの空孔率は６０％以下であることが好ましい。本発明により親水性を付与したカーボンプレートは、親水性が長期間にわたって持続し、親水性を付与する前のカーボンプレートと比較して導電性が低下することもない。
Description
本発明は、カーボンプレートへ親水性を付与する方法に関する。
従来より、グラファイト原料のカーボンプレートは、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池のセパレータの基材に広く用いられている。
燃料電池のセパレータに必要な性質のひとつに、親水性がある。セパレータの
親水性が低い場合、1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応で発生した水の排水が阻害され、発電性能が低下する原因となる。
グラファイトなどのカーボンを原料としたセパレータは、通常グラファイトの
特性を反映して疎水性が強く現れる。そこで、セパレータの親水性を向上させるために、セパレータの基材であるカーボンプレートに親水性を付与する方法が種々提案されてきた。
例えば、カーボン粉末に、酸化ケイ素や酸化アルミニウム等の金属酸化物と、
デンプン・アクリル酸共重合体やポリアクリル酸塩等の親水性樹脂とを混合することにより、カーボンに親水性を付与する方法があり、特許文献１に開示されている。
また、カーボンプレートを酸化雰囲気中４００℃〜６００℃程度の温度で焼成
処理し、カーボン粒子又はカーボン繊維の表面にカルボキシル基などの親水性官能基を付与することにより、カーボンの親水性を向上させる方法があり、特許文献２に開示されている。
さらに、親水化ガス中でカーボンを低温プラズマ処理、コロナ放電処理又は紫
外線照射処理することにより、カーボンに親水性を付与する方法があり、特許文献３に開示されている。
親水性が低い場合、1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応で発生した水の排水が阻害され、発電性能が低下する原因となる。
グラファイトなどのカーボンを原料としたセパレータは、通常グラファイトの
特性を反映して疎水性が強く現れる。そこで、セパレータの親水性を向上させるために、セパレータの基材であるカーボンプレートに親水性を付与する方法が種々提案されてきた。
例えば、カーボン粉末に、酸化ケイ素や酸化アルミニウム等の金属酸化物と、
デンプン・アクリル酸共重合体やポリアクリル酸塩等の親水性樹脂とを混合することにより、カーボンに親水性を付与する方法があり、特許文献１に開示されている。
また、カーボンプレートを酸化雰囲気中４００℃〜６００℃程度の温度で焼成
処理し、カーボン粒子又はカーボン繊維の表面にカルボキシル基などの親水性官能基を付与することにより、カーボンの親水性を向上させる方法があり、特許文献２に開示されている。
さらに、親水化ガス中でカーボンを低温プラズマ処理、コロナ放電処理又は紫
外線照射処理することにより、カーボンに親水性を付与する方法があり、特許文献３に開示されている。
しかしながら、特許文献１においては、カーボンプレートに絶縁性の親水性樹
脂等が混合されているため、親水化すると同時にカーボンプレートの導電性が低下するという問題があり、望ましい方法ではない。
特許文献２、３においては、親水性がカーボンプレート表面にのみ限定される
ため、親水性が長期間持続しないという問題がある。また、特許文献３で用いられる低温プラズマ処理及びコロナ放電処理等の装置は高価であり、コスト高となる。
脂等が混合されているため、親水化すると同時にカーボンプレートの導電性が低下するという問題があり、望ましい方法ではない。
特許文献２、３においては、親水性がカーボンプレート表面にのみ限定される
ため、親水性が長期間持続しないという問題がある。また、特許文献３で用いられる低温プラズマ処理及びコロナ放電処理等の装置は高価であり、コスト高となる。
本発明は、上記の点に鑑み、カーボンの導電性を低下させることなく、長期間にわたって持続する親水性を、カーボンプレートに付与する方法を提供する。
本発明は、シリコンアルコキシドの重縮合物溶液にカーボンプレートを浸漬した後、熱処理することにより、カーボンプレート表面又はカーボンプレート内部の空孔表面をシリカ薄膜で被覆することを特徴とする、カーボンプレートへ親水性を付与する方法によって、前記課題を解決した。
前記カーボンプレートの熱処理温度は４００〜８００℃であることが好適であ
る。
また、前記カーボンプレートの空孔率は６０％以下であることが好適である。
前記カーボンプレートの熱処理温度は４００〜８００℃であることが好適であ
る。
また、前記カーボンプレートの空孔率は６０％以下であることが好適である。
本発明により親水性を付与したカーボンプレートは、その親水性が長期間にわ
たって持続し、親水性を付与する前のカーボンプレートと比較して導電性が低下することもないため、燃料電池のセパレータ基材として好適である。
たって持続し、親水性を付与する前のカーボンプレートと比較して導電性が低下することもないため、燃料電池のセパレータ基材として好適である。
以下、本発明について詳しく説明する。本発明では、シリコンアルコキシド重縮合物の溶液にカーボンプレートを浸漬させた後、引き上げて乾燥させ、熱処理・焼結することによりカーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆する。
カーボンプレートは、グラファイト粉末に、フェノール樹脂等の熱硬化樹脂を
添加混合したのち、加圧モールド成形して熱処理したものを用いる。
グラファイト粉末としては、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛等が挙げられる。
グラファイト粉末の平均粒径は特に限定されないが、平均粒径１０〜６０μｍが好適である。
また、カーボンプレートは多孔質、緻密質のどちらでもよい。多孔質の場合、
燃料電池のセパレータ基材に用いることを考慮すると、空孔率が６０％以下であることが好ましい。空孔率が６０％を超えると、強度の弱いプレートになる。
カーボンプレートは、グラファイト粉末に、フェノール樹脂等の熱硬化樹脂を
添加混合したのち、加圧モールド成形して熱処理したものを用いる。
グラファイト粉末としては、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛等が挙げられる。
グラファイト粉末の平均粒径は特に限定されないが、平均粒径１０〜６０μｍが好適である。
また、カーボンプレートは多孔質、緻密質のどちらでもよい。多孔質の場合、
燃料電池のセパレータ基材に用いることを考慮すると、空孔率が６０％以下であることが好ましい。空孔率が６０％を超えると、強度の弱いプレートになる。
シリコンアルコキシド重縮合物溶液は、シリコンアルコキシドをアルコール溶媒で希釈し、水及び酸触媒を加えて加水分解・脱水重縮合したものを用いる。前記シリコンアルコキシドとしては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等を挙げることができるが、好適には、テトラエトキシシランが用いられる。アルコール溶媒としては、エタノール、メタノール、プロパノ−ル等を挙げることができるが、特に、エタノールが好ましい。また、酸触媒としては、塩酸、硝酸、酢酸等を挙げることができるが、特に、塩酸が好ましい。
シリコンアルコキシドをアルコールで希釈するときのシリコンアルコキシドの濃度が１％〜３％の場合でもカーボンに親水性を付与することができるが、５％以上であれば、十分な親水性が得られる。
シリコンアルコキシドのアルコール溶液に酸触媒及び水を添加した後、加熱・還流する。この間に加水分解反応が進み、加水分解したシラノール基が脱水重縮合反応することによりシロキサン結合し、シリコンアルコキシド重縮合物溶液（ポリシロキサン溶液）が形成される。前記シリコンアルコキシド重縮合物の重合度は特に限定されない。なお、前記シリコンアルコキシド重縮合物溶液は、市販のシリコンアルコキシド重合体を利用したものでもよい。
上記のシリコンアルコキシド重縮合物溶液にカーボンプレートを５分程度浸漬させた後、カーボンプレートを引き上げ、大気中、室温で乾燥させる。乾燥後、不活性雰囲気中にて熱処理することにより、シリカ薄膜を得る。このときの熱処理温度は４００〜８００℃が好適である。４００℃未満の場合には、無機化しない。また８００℃を超えると、シラノール基の数が減少して親水性を示さない。
以上の工程により、カーボンプレート表面又はカーボンプレート内部の空孔表面を親水性のシリカ薄膜で被覆し、疎水性表面を親水性表面に改質する。
特に、カーボンプレートが多孔質である場合には、空孔表面にフラクタル構造が形成されているため、カーボンプレート内部の空孔表面までシリカ薄膜で覆われる。そのため、カーボンプレートの表面化学性状を若干でも親水性にすることで、超親水性に近い状態が得られ、長期間にわたって親水性を持続させることができる。
特に、カーボンプレートが多孔質である場合には、空孔表面にフラクタル構造が形成されているため、カーボンプレート内部の空孔表面までシリカ薄膜で覆われる。そのため、カーボンプレートの表面化学性状を若干でも親水性にすることで、超親水性に近い状態が得られ、長期間にわたって親水性を持続させることができる。
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実
施例に限定されるものではない。
施例に限定されるものではない。
（実施例１）
日本黒鉛製のＣＰＮ（平均粒径１７μm）に対し、３０％のフェノール樹脂を
添加混合したのち、加圧モールド成形し、８００℃で熱処理してカーボンプレートを作製した。
テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）８３．４ｇをエタノール１４２．５４ｇで
希釈したものに、水１４．４ｇと塩酸３．４８ｇを添加混合し、８０℃で２時間環流させ、テトラエトキシシラン濃度５％のゾル（ＴＥＯＳポリマー）を作製した。
ＴＥＯＳポリマーにカーボンプレートを２．５分浸漬させたあと、カーボンプ
レートを引き上げて表面を軽く拭き取り、室温乾燥させた。その後、不活性雰囲気中約５００℃で・・時間熱処理を行い、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を測定した。結果を表１に示す。
日本黒鉛製のＣＰＮ（平均粒径１７μm）に対し、３０％のフェノール樹脂を
添加混合したのち、加圧モールド成形し、８００℃で熱処理してカーボンプレートを作製した。
テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）８３．４ｇをエタノール１４２．５４ｇで
希釈したものに、水１４．４ｇと塩酸３．４８ｇを添加混合し、８０℃で２時間環流させ、テトラエトキシシラン濃度５％のゾル（ＴＥＯＳポリマー）を作製した。
ＴＥＯＳポリマーにカーボンプレートを２．５分浸漬させたあと、カーボンプ
レートを引き上げて表面を軽く拭き取り、室温乾燥させた。その後、不活性雰囲気中約５００℃で・・時間熱処理を行い、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を測定した。結果を表１に示す。
（実施例２）
浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボンプレート
表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボンプレート
表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例３）
浸漬時間を7.5分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボンプレー
ト表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
浸漬時間を7.5分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボンプレー
ト表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例４）
ＴＥＯＳの濃度を３％、及び浸漬時間を２．５分に変え、それ以外は実施例１
と同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
ＴＥＯＳの濃度を３％、及び浸漬時間を２．５分に変え、それ以外は実施例１
と同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例５）
実施例４の浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボ
ンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
実施例４の浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボ
ンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例６）
実施例４の浸漬時間を７．５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カ
ーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
実施例４の浸漬時間を７．５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カ
ーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例７）
ＴＥＯＳの濃度を５％、及び浸漬時間を２．５分に変え、それ以外は実施例１
と同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
ＴＥＯＳの濃度を５％、及び浸漬時間を２．５分に変え、それ以外は実施例１
と同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例８）
実施例７の浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボ
ンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
実施例７の浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カーボ
ンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例９）
実施例７の浸漬時間を７．５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カ
ーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
実施例７の浸漬時間を７．５分に変え、それ以外は実施例１と同様にして、カ
ーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（実施例１０）
ＴＥＯＳの濃度を１０％、及び浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と
同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
ＴＥＯＳの濃度を１０％、及び浸漬時間を５分に変え、それ以外は実施例１と
同様にして、カーボンプレート表面をシリカ薄膜で被覆した。このカーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
（比較例）
本発明による親水処理を施していない（シリカ薄膜で表面を被覆していない）
カーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
本発明による親水処理を施していない（シリカ薄膜で表面を被覆していない）
カーボンプレートの水滴接触角と体積抵抗を表１に示す。
表１より、本発明によりシリカ薄膜で表面を被覆したカーボンプレートは、シ
リカ薄膜で表面を被覆していないカーボンプレートと比較すると、水滴接触角が小さく、親水性が向上していることが分かる。ＴＥＯＳ濃度が１％及び３％でも親水性は付与されるが、５％以上であれば、十分な親水性を得ることができる。
また、本発明により親水処理したカーボンプレートの体積抵抗は、親水処理を
していないカーボンプレートと比較して差がなく、２．９ｍΩｃｍ前後の低い抵抗率を維持していることが分かる。
従って、本発明によって製造したカーボンプレートを燃料電池のセパレータ基
材に用いることにより、長期間にわたる親水性と、導電性とを両立させたセパレータを簡便に製造することができる。
リカ薄膜で表面を被覆していないカーボンプレートと比較すると、水滴接触角が小さく、親水性が向上していることが分かる。ＴＥＯＳ濃度が１％及び３％でも親水性は付与されるが、５％以上であれば、十分な親水性を得ることができる。
また、本発明により親水処理したカーボンプレートの体積抵抗は、親水処理を
していないカーボンプレートと比較して差がなく、２．９ｍΩｃｍ前後の低い抵抗率を維持していることが分かる。
従って、本発明によって製造したカーボンプレートを燃料電池のセパレータ基
材に用いることにより、長期間にわたる親水性と、導電性とを両立させたセパレータを簡便に製造することができる。
Claims (3)
- シリコンアルコキシドの重縮合物溶液にカーボンプレートを浸漬した後、熱処理することにより、カーボンプレート表面又はカーボンプレート内部の空孔表面をシリカ薄膜で被覆することを特徴とする、
カーボンプレートへ親水性を付与する方法。 - 前記カーボンプレートの熱処理温度が４００〜８００℃である、請求項１のカーボンプレートへ親水性を付与する方法。
- 前記カーボンプレートの空孔率が６０％以下である、請求項１のカーボンプレートへ親水性を付与する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003405308A JP2005162550A (ja) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | カーボンプレートへ親水性を付与する方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003405308A JP2005162550A (ja) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | カーボンプレートへ親水性を付与する方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005162550A true JP2005162550A (ja) | 2005-06-23 |
Family
ID=34728010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003405308A Pending JP2005162550A (ja) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | カーボンプレートへ親水性を付与する方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2005162550A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070254204A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-01 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Separator for fuel cell, method of preparing same, and fuel cell system including same |
| JP2013530908A (ja) * | 2010-04-22 | 2013-08-01 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | グラフェンに基づいた２次元サンドウィッチナノ材料の製造方法 |
| KR20160067959A (ko) | 2013-11-11 | 2016-06-14 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법 |
| JP2020011200A (ja) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | 日本特殊陶業株式会社 | 微細気泡発生部材及びその製造方法 |
-
2003
- 2003-12-04 JP JP2003405308A patent/JP2005162550A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070254204A1 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-01 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Separator for fuel cell, method of preparing same, and fuel cell system including same |
| JP2007299754A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータを備える燃料電池システム |
| JP2013530908A (ja) * | 2010-04-22 | 2013-08-01 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | グラフェンに基づいた２次元サンドウィッチナノ材料の製造方法 |
| KR20160067959A (ko) | 2013-11-11 | 2016-06-14 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법 |
| KR20180067708A (ko) | 2013-11-11 | 2018-06-20 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법 |
| JP2020011200A (ja) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | 日本特殊陶業株式会社 | 微細気泡発生部材及びその製造方法 |
| JP7250453B2 (ja) | 2018-07-19 | 2023-04-03 | 日本特殊陶業株式会社 | 微細気泡発生部材及びその製造方法 |
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