固体高分子形燃料電池（PEMFC）
プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）は、低温作動型燃料電池として、高効率、低温作動、ゼロエミッションの利点を持ち、新グリーンエネルギーの主要な開発方向の一つである。
PEMFCの中核部品は膜電極接合体（MEA）で、2つのガス拡散層（GDL）、2つの触媒層、プロトン交換膜から構成される。
PEMFC燃料電池の反応原理を図1に示す。PEMFC単セルは、EMA（アノード、カソード、プロトン交換膜）とバイポーラ・プレートで構成されている。アノードは水素燃料の酸化が起こる場所で、カソードは酸化還元が起こる場所である。両極には電極の電気化学反応を促進するための触媒が含まれており、電極触媒としては一般的に白金／炭素または白金／ルテニウムが使用される。プロトン交換膜が電解質として機能し、水素または精製改質ガスが燃料、空気または純酸素が酸化剤、ガス流路を持つグラファイトまたは表面改質金属板がバイポーラプレートとなる。一定の湿度と圧力を持った水素と酸素がそれぞれアノードとカソードに入り、ガス拡散層（図ではカーボンペーパー）を通って触媒層とプロトン交換膜の界面に到達し、触媒の作用で酸化・還元反応が起こる。
アノードH2→ 2H++2e-
正極： ½O2+ 2H++ 2e-→H2O
電池の全反応H2+ ½O2→H2O
陽極では、水素ガスが電気化学的に反応して水素イオンと電子を形成する。その後、水素イオンはプロトン交換膜（プロトン交換膜のユニークな特性により水素イオンのみが通過する）を通じて陰極に伝導され、電子は外部回路を通じて陰極に到達し、水素イオン、電子、酸素が反応して水が生成される。生成された水は、過剰な酸素とともに水蒸気または凝縮水として陰極出口から排出される。
ガス拡散層（GDL）
ガス拡散層（GDL）は、燃料電池の重要な構成要素の一つである膜電極の両端に位置し、その役割には、プロトン交換膜の支持、触媒のコーティング、膜電極とバイポーラプレートの接続などが含まれる。
GDL材料には、性能面で以下の点が求められる：
- GDLはバイポーラプレートと触媒層の間にあるため、電気化学反応（すなわち電流密度）が非常に高く、高度のガルバニック腐食が発生するため、GDL材料には耐食性が求められる。
- GDL材料は、水素/酸素またはメタノール/空気が触媒層反応（medium ）に拡散するため、多孔質で通気性のある材料でなければならない。
- GDL材料は電流伝導体の役割を果たすため、導電性の高い材料でなければならない。
- 電池反応は発熱（発熱性）であるため、GDL材料は熱伝導率の高い材料でなければならない。プロトン交換膜の破損による局所的な過熱を避けるため、放熱を適時に行う必要がある。
- 電池反応によって発生する水による触媒層の損傷を避けるため、GDL材料には高い疎水性が必要である。
炭素繊維紙
炭素繊維紙（カーボン紙と呼ばれる）は、炭素繊維の短繊維を原料として製造され、微細な繊維多孔質構造を有し、気体や水の伝導に効果的な流路を形成することができる。同時に、カーボンペーパーは、軽量、平坦な表面、耐腐食性、均一な気孔率の利点を持っています。さらに、カーボンペーパーの高い強度は、PEMFC電池の設置と使用に保護をもたらし、電極構造を安定させ、電池寿命を向上させることができる。カーボンペーパーの製造プロセスは成熟しており、性能も安定しているため、カーボンペーパーは膜電極のガス拡散層材料の主流となっている。カーボンペーパーをガス拡散層として用いた膜電極を図1に示す。カーボンペーパーの調製工程における繊維配向の配列により、カーボンペーパー自体は様々な異方性を持つ。
熱伝導率はGDL材料の重要な指標の一つであることから、本研究では、NETZSCH LFAHyperFlash®を用いてカーボンペーパー試料の熱伝導率試験を実施した。この試験では、LFA467を用いてカーボンペーパー試料の水平方向と垂直方向の熱拡散率をそれぞれ測定し、DSCを用いてカーボンペーパー試料の比熱容量を測定した。試料の熱伝導率は、試料の熱拡散率、比熱容量、密度（室温）を乗じることで求めた。
アプリケーション
表1は、このカーボンペーパー試料（図2）の水平方向の熱伝導率試験の結果を示しています。この試験に使用した支持体は面内試料ホルダー（図3）で、高熱伝導率薄膜材料の水平方向の熱拡散率試験に使用できます。25℃および100℃における試料の水平方向の熱拡散率はそれぞれ58.610 mm2/sおよび50.122 mm2/sであり、熱伝導率はそれぞれ20.568 W/(m*K)および21.794 W/(m*K)であることがわかります。
図4は試験した温度上昇曲線を示しており、試験曲線（生信号-青）と適合曲線（モデル評価-赤）が非常によく一致していることがわかる。
表2に、このカーボンペーパー試料の垂直方向の熱伝導率試験結果を示す。
この試験に使用した支持体は、薄膜試料の垂直方向の熱拡散率を試験するのに使用できる箔試料ホルダー（図5）である。この結果から、試料の垂直方向の熱拡散率は25℃で7.463 mm2/s、100℃で6.408mm2/sであり、熱伝導率はそれぞれ2.619 W/(m*K)、2.786 W/(m*K)であることがわかる。試料の水平方向の熱伝導率は、垂直方向の熱伝導率よりも著しく高く、明らかな個体異方性を示す。試料は多孔質繊維構造であるため、垂直方向の試験ではある程度の光透過がある。
概要
固体高分子形燃料電池において、ガス拡散層は膜電極の重要な構成要素であり、そのコストは通常、膜電極のコストの20～25％を占める。
業界分析では、世界のガス拡散層材料の市場規模は2024年までに33億4000万米ドルに達すると予測されている。カーボンペーパーは、ガス拡散層の好ましい材料として、中国の産業発展にとって非常に有望な将来性を持っている。熱伝導率はカーボン紙の重要な指標の一つである。NETZSCH フラッシュ熱伝導率アナライザーLFA467とその面内ホルダーおよび箔試料ホルダーを用いれば、カーボン紙試料の水平方向および垂直方向の熱伝導率を正確かつ簡便に測定することができる。