燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的燃料電池用氣體擴(kuò)散層具備氣體擴(kuò)散層基材和形成于基材表面的微細(xì)多孔質(zhì)層。而且，其特征在于，微細(xì)多孔質(zhì)層由粘合劑和至少含有鱗片狀石墨的碳材料構(gòu)成為片材狀，微細(xì)多孔質(zhì)層的片材粘合于上述基材上。這種燃料電池用氣體擴(kuò)散層在氣體擴(kuò)散層基材內(nèi)不會(huì)混入構(gòu)成微細(xì)多孔質(zhì)層的成分，能夠確保透氣性。另外，由于在微細(xì)多孔質(zhì)層含有作為導(dǎo)電材料的鱗片狀石墨，因此，能夠提高導(dǎo)電性、透氣性。因此，能夠有助于提高固體高分子燃料電池的性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于固體高分子燃料電池(PEFC)且具備微細(xì)多孔質(zhì)層(MPL)的燃料電池用氣體擴(kuò)散層(OTL)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與例如固體氧化物燃料電池或熔化碳酸鹽燃料電池等其它類(lèi)型的燃料電池相比，使用質(zhì)子傳導(dǎo)率的固體高分子電解質(zhì)膜的固體高分子燃料電池在低溫下動(dòng)作。因此，也期待固體高分子燃料電池作為汽車(chē)等移動(dòng)體用的動(dòng)力源，也開(kāi)始其的實(shí)用化。
[0003]用于固體高分子燃料電池的氣體擴(kuò)散電極一般由電極催化劑層和氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。電極催化劑層含有由與高分子電解質(zhì)膜同種類(lèi)或不同種類(lèi)的離子交換樹(shù)脂(高分子電解質(zhì))覆蓋的催化劑擔(dān)載碳微粒子。而且，氣體擴(kuò)散層具有向催化劑層供給反應(yīng)氣體并且對(duì)產(chǎn)生于催化劑層的電荷進(jìn)行集電的作用。而且，通過(guò)以對(duì)向的狀態(tài)使這種氣體擴(kuò)散電極的催化劑層一側(cè)與高分子電解質(zhì)膜接合，形成膜電極接合體(MEA:Membtane ElectrodeAssembly)。通過(guò)將多個(gè)這種膜電極接合體經(jīng)由具備氣體流路的隔板層疊，構(gòu)成固體高分子燃料電池。
[0004]在這種用于固體高分子燃料電池的氣體擴(kuò)散層中，公知有在氣體擴(kuò)散層的催化劑層側(cè)將以碳材料等的導(dǎo)電性物質(zhì)為主體的微細(xì)多孔質(zhì)層設(shè)為中間層所具備的結(jié)構(gòu)。該中間層為了降低氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間的電阻并且使氣體流動(dòng)順暢而設(shè)置。這樣，微細(xì)多孔質(zhì)層與氣體擴(kuò)散層基材一起構(gòu)成氣體擴(kuò)散層。因此，與氣體擴(kuò)散層整體相同，對(duì)于微細(xì)多孔質(zhì)層不僅要求有優(yōu)異的導(dǎo)電性，而且要求有優(yōu)異的透氣性。
[0005]作為這種氣體擴(kuò)散電極用的材料或構(gòu)造，例如專(zhuān)利文獻(xiàn)I中公開(kāi)有由PTFE樹(shù)脂的微細(xì)調(diào)節(jié)部和微細(xì)纖維部形成的含有導(dǎo)電性物質(zhì)粉末(碳黑)的層。在該層中夾持有同樣由PTFE樹(shù)脂的微細(xì)調(diào)節(jié)部和微細(xì)纖維構(gòu)成且不含有導(dǎo)電性物質(zhì)粉末的層。
[0006]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:(日本)特開(kāi)昭60 - 193269號(hào)公報(bào)
[0007]通常，氣體擴(kuò)散電極的導(dǎo)電性和透氣性可以說(shuō)處于“折衷”關(guān)系。即，成為如下結(jié)果，當(dāng)要增加孔隙率并提高透氣性時(shí)，導(dǎo)電性惡化，另一方面，當(dāng)作為致密的構(gòu)造要提高導(dǎo)電性時(shí)，透氣性惡化。這樣，兼得這些特性是極其困難的。例如，在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)I所記載的材料中，通過(guò)如上述夾持的片材的延伸工序，形成所希望的孔隙，可實(shí)現(xiàn)充分的透氣性。另一方面，由于介設(shè)有不包含導(dǎo)電材料的PTFE樹(shù)脂層，因此，厚度方向的電阻變高。另外，由于導(dǎo)電材料僅為碳黑，因此，面方向的電阻也變高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制造方法，能夠兼得處于通常折衷關(guān)系的氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電性和透氣性，并有助于提高固體高分子燃料電池的性能。
[0009]本發(fā)明的燃料電池用氣體擴(kuò)散層具備氣體擴(kuò)散層基材和形成于基材表面的微細(xì)多孔質(zhì)層。而且，其特征在于，微細(xì)多孔質(zhì)層由粘合劑和至少含有鱗片狀石墨的碳材料構(gòu)成為片材狀，微細(xì)多孔質(zhì)層的片材粘合于基材。
[0010]本發(fā)明的方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制造方法具有:調(diào)整含有粘合劑及碳材料的微細(xì)多孔質(zhì)層片材制作用的墨的工序；向保持片材上涂敷墨進(jìn)行燒結(jié)而在保持片材上形成微細(xì)多孔質(zhì)層片材的工序。而且，其特征在于，具有:從保持片材剝離微細(xì)多孔質(zhì)層片材的工序；將從保持片材剝離的微細(xì)多孔質(zhì)層片材粘合于氣體擴(kuò)散層基材的工序。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是表示使用本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層構(gòu)成的膜電極構(gòu)造體的構(gòu)造例的概略剖面圖；
[0012]圖2表示構(gòu)成本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層的微細(xì)多孔質(zhì)層的鱗片狀石墨的形狀，Ca)為平面圖，(b)為側(cè)面圖；
[0013]圖3表不作為本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層的微細(xì)多孔質(zhì)層的間隔部件而發(fā)揮作用的粒狀石墨的形狀，Ca)為平面圖，(b)為側(cè)面圖；
[0014]圖4是表示作為本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層的微細(xì)多孔質(zhì)層的截面構(gòu)造的一例而使用了由大徑鱗片狀石墨和碳黑(導(dǎo)電通路部件)構(gòu)成的碳材料的例子的概略剖面圖；
[0015]圖5是表示作為截面構(gòu)造的一例而使用了由鱗片狀石墨和小徑鱗片狀石墨(導(dǎo)電通路部件)構(gòu)成的碳材料的例子的概略剖面圖；
[0016]圖6是表示作為截面構(gòu)造的一例而使用了由鱗片狀石墨、碳黑(導(dǎo)電通路部件)和粒狀石墨(間隔部件)構(gòu)成的碳材料的例子的概略剖面圖；
[0017]圖7是表示作為截面構(gòu)造的一例而使用了由鱗片狀石墨、小徑鱗片狀石墨(導(dǎo)電通路部件)和粒狀石墨(間隔部件)構(gòu)成的碳材料的例子的概略剖面圖；
[0018]圖8是表示本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制作順序的工序圖；
[0019]圖9是表示通過(guò)實(shí)施例得到的微細(xì)多孔質(zhì)層片材的厚度方向的透氣性和電阻的關(guān)系的圖表；
[0020]圖10是對(duì)比表示通過(guò)實(shí)施例及比較例得到的電池單元在干燥條件下的發(fā)電性能的圖表；
[0021]圖11是對(duì)比表示通過(guò)實(shí)施例及比較例得到的電池單元在濕潤(rùn)條件下的發(fā)電性能的圖表。
[0022]符號(hào)說(shuō)明
[0023]I膜電極接合體(MEA)
[0024]10電解質(zhì)膜
[0025]20催化劑層
[0026]30燃料電池用氣體擴(kuò)散層(⑶L)
[0027]31微細(xì)多孔質(zhì)層(MPL)
[0028]32氣體擴(kuò)散層基材(⑶L基材)
[0029]Gf鱗片狀石墨
[0030]Gfs小徑鱗片狀石墨(導(dǎo)電通路部件)[0031]Gg粒狀石墨(間隔部件)
[0032]C碳黑(導(dǎo)電通路部件)
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面，將本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池用氣體擴(kuò)散層(GDL)與其所使用的微細(xì)多孔質(zhì)層(MPL)片材及它們制造方法一同進(jìn)行更具體地說(shuō)明。在此，下面將MPL片材簡(jiǎn)稱(chēng)作片材。另外，在本說(shuō)明書(shū)中，在沒(méi)有特別說(shuō)明則表示質(zhì)量百分率。另外，為了便于說(shuō)明，附圖的尺寸比率被擴(kuò)大，有時(shí)與實(shí)際的比率不同。
[0034][⑶L]
[0035]如上述，本發(fā)明的⑶L是在⑶L基材上粘合由粘合劑和至少含有鱗片狀石墨的碳材料構(gòu)成的MPL片材而成的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，該GDL適合作為燃料電池的氣體擴(kuò)散層而使用。另夕卜，粘合不是簡(jiǎn)單地將材料涂布于粘接面而形成，而是指將獨(dú)立成型的材料與粘接面接合。
[0036]通常，具備MPL的⑶L 一般為⑶L基材和濕式涂布于其上而形成的MPL的層疊構(gòu)造。但是，在這種MPL的形成方法中，由于MPL墨進(jìn)入⑶L基材內(nèi)，⑶L基材被堵塞，所以透氣性惡化。另外，⑶L基材表面的凹凸在墨涂布形成MPL后仍殘留，因此，⑶L基材纖維對(duì)電解質(zhì)膜的攻擊性的緩和效果小。
[0037]與之相對(duì)，本發(fā)明的⑶L不是在⑶L基材上直接涂布墨，而是將另外準(zhǔn)備的MPL片材貼合于GDL基材上。因此，不會(huì)因墨浸入而產(chǎn)生基材的堵塞。另外，通過(guò)進(jìn)行片材的貼附，基材表面的凹凸被吸收。因此，能夠緩和GDL基材纖維對(duì)電解質(zhì)膜的攻擊性。
[0038]圖1表示使用了本發(fā)明的⑶L的膜電極接合體(MEA)的構(gòu)造例。圖示的MEAl在以電解質(zhì)膜10為中心的陽(yáng)極、陰極兩極分別配置催化劑層20、MPL31、⑶L基材32而構(gòu)成。即，利用MPL31及⑶L基材32構(gòu)成⑶L30。在此，MPL31由粘接于⑶L基材32上的MPL片材構(gòu)成。
[0039]作為電解質(zhì)膜10，除了通常使用的全氟磺酸系電解質(zhì)膜之外，還可以使用烴系電解質(zhì)膜。作為全氟磺酸系電解質(zhì)，具體而言，列舉:Naf ion(注冊(cè)商標(biāo)DuPont社制)、Aciphex(注冊(cè)商標(biāo)，旭化成株式會(huì)社制)、Flemion (注冊(cè)商標(biāo)，旭硝子株式會(huì)社制)等等。另外，作為烴系電解質(zhì)，列舉:具有磺酸基的烴系樹(shù)脂、將磷酸等無(wú)機(jī)酸摻雜于烴系高分子化合物而得到的物質(zhì)、一部分由質(zhì)子導(dǎo)電體的官能團(tuán)取代而得到的有機(jī)/無(wú)機(jī)混合聚合物、在高分子基體中含浸有磷酸溶液或硫酸溶液的質(zhì)子導(dǎo)電體等。但是，考慮到抗氧化性、低透氣性、制造的容易度及低成本等時(shí)，優(yōu)選具有磺酸基的烴系高分子電解質(zhì)。作為本實(shí)施方式中使用的烴系電解質(zhì)，例如列舉:磺化聚芳醚砜(S - PES)、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并惡唑(PB0)、磺化聚苯氧基芐基苯(S - PPBP)、聚醚醚酮(S - PEEK)等作為適當(dāng)?shù)睦印?br> [0040]另外，作為催化劑層20，在碳上擔(dān)載有鉬或鉬合金的物質(zhì)中混入全氟磺酸系電解質(zhì)溶液或烴系電解質(zhì)溶液而形成。在此，作為碳，可以使用油爐法炭黑，乙炔黑，科琴黑，熱裂法炭黑，槽法炭黑等碳黑或石墨，活性炭等。另外，根據(jù)需要也可以添加防水劑或增孔劑。
[0041]如上述，作為必須的碳材料，由MPL片材構(gòu)成的MPL31含有鱗片狀石墨和粘合劑。在此，從進(jìn)一步提高導(dǎo)電性或透氣性的觀點(diǎn)出發(fā)，除此之外，優(yōu)選使用作為導(dǎo)電通路部件或間隔部件發(fā)揮作用的碳材料。另外，導(dǎo)電通路部件是介設(shè)于鱗片狀石墨之間來(lái)提高鱗片狀石墨之間的導(dǎo)電性的材料。另外，間隔部件是通過(guò)介設(shè)于鱗片狀石墨之間而使鱗片狀石墨之間的距離伸長(zhǎng)并提高燃料氣體及氧化劑氣體這樣的反應(yīng)氣體的透過(guò)性的材料。另外，作為MPL31的厚度，優(yōu)選為10?IOOiim的范圍。
[0042]鱗片狀石墨的結(jié)晶性高，形成圖2 (a)所示那樣的鱗狀的形狀。而且，如圖2 (a)及(b)所示，具有較高的長(zhǎng)寬比(平均平面直徑Dl /厚度H1)。本發(fā)明中，鱗片狀石墨是指厚度Hl為0.05?I ii m、上述長(zhǎng)寬比為10?1000左右的石墨。鱗片狀石墨有助于提高M(jìn)PL的厚度方向及面方向的透氣性。另外，有助于降低面方向的阻力即提高導(dǎo)電性。在此，鱗片狀石墨的平均平面直徑Dl表示通過(guò)激光衍射、散射法測(cè)定的偏平的面方向的平均直徑。另夕卜，鱗片狀石墨的厚度H可以利用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)測(cè)定。作為平均平面直徑Dl，特別優(yōu)選5?50 ii m，不會(huì)對(duì)MPL的厚度帶來(lái)影響，并能夠提高導(dǎo)電性及透氣性。當(dāng)平均平面直徑比5 y m小時(shí)，不能有助于提高透氣性，當(dāng)比50 y m大時(shí)，不能充分得到導(dǎo)電通路部件混入的效果。
[0043]作為導(dǎo)電通路部件，可以使用:油爐法炭黑、乙炔黑、科琴黑、熱裂法炭黑、槽法炭黑等碳黑、小徑的鱗片狀石墨、碳纖維等。而且，作為導(dǎo)電通路部件的平均粒徑，優(yōu)選設(shè)為IOnm以上且不足5 u m。
[0044]另外，在本說(shuō)明中，作為“平均粒徑”的值為采用作為使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)等觀察裝置在數(shù)幾?數(shù)十視野中所觀察的粒子的粒子徑的平均值而計(jì)算出的值。在此，“粒子徑”是指使用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)等觀察裝置觀察的粒子(觀察面)的輪廓線(xiàn)上的任意兩點(diǎn)間的距離中最大的距離。同樣也可以定義成其它結(jié)構(gòu)成分的粒子徑或平均粒子徑。
[0045]在上述導(dǎo)電通路部件中，從提高生產(chǎn)率的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選使用分散性?xún)?yōu)異的乙炔黑。關(guān)于該情況下的乙炔黑的配合量，從更可靠地兼得提高透氣性和提高導(dǎo)電性這兩者的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將MPL中的含量設(shè)為5?25%。當(dāng)乙炔黑的含量比5%少時(shí)，接觸面積變少，不能充分降低阻力。另一方面，當(dāng)比25%多時(shí)，小粒徑填滿(mǎn)孔隙，因此，具有透氣性惡化的趨勢(shì)。
[0046]另外，作為導(dǎo)電通路部件，還優(yōu)選使用比表面積為IOOOm2 / g以上的碳黑。由此，能夠進(jìn)一步降低阻力。關(guān)于這種碳黑的配合量，從更可靠地體現(xiàn)其效果的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將MPL中的含量設(shè)為I?5%。
[0047]另外，作為導(dǎo)電通路部件，通過(guò)使用平均平面直徑Dl不足5 y m的小徑的鱗片狀石墨，熱阻降低，即導(dǎo)熱性提高。其結(jié)果，低加濕狀態(tài)下的導(dǎo)電性提高。在使用這種小徑的鱗片狀石墨的情況下，從兼得提高透氣性和提高導(dǎo)電性這兩者的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將MPL中的配合比設(shè)為30?70%。當(dāng)平均平面直徑Dl不足5 iim的鱗片狀石墨的配合比比30%少時(shí)，接觸面積變少，不能充分降低阻力。另一方面，當(dāng)配合比比70%多時(shí)，粘合劑的量相對(duì)性地變少，具有難以作為MPL發(fā)揮作用的趨勢(shì)。但是，在鱗片狀石墨的粒徑可減小到與碳黑同程度的情況下，優(yōu)選與碳黑相同地設(shè)為較少的配合比。另外，小徑的鱗片狀石墨的平均平面直徑Dl及厚度Hl也可以與上述鱗片狀石墨相同地測(cè)定。
[0048]而且，作為上述間隔部件，可以使用平均粒徑為I?10 y m左右的粒狀石墨。由此，能夠兼得導(dǎo)電性和透氣性。在以這種粒狀石墨為間隔部件而使用的情況下，從更可靠地體現(xiàn)上述效果的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將MPL中的配合比設(shè)為5?35%。如圖3 (a)及(b)所示，粒狀石墨的結(jié)晶性高，且長(zhǎng)寬比(平均平面直徑D2 /厚度H2)為I?3左右。另外，粒狀石墨的平均平面直徑D2及厚度H2可以與上述鱗片狀石墨相同地測(cè)定。
[0049]另外，與上述的碳材料一起使用的粘合劑具有將上述碳材料彼此之間粘結(jié)而確保MPL的強(qiáng)度的作用，優(yōu)選兼?zhèn)渥鳛榉浪畡┑淖饔?。作為這種粘合劑，主要可以使用聚四氟乙烯(PTFE)。除此之外，也可以應(yīng)用四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)等。
[0050]另一方面，作為與MPL —起構(gòu)成⑶L的⑶L基材，可使用在由碳紙、碳布、無(wú)紡布等碳纖維形成的材料中含浸作為防水劑的PTFE等的材料。另外，根據(jù)應(yīng)用GDL的MEA的排水特性或隔板的表面性質(zhì)不同，有時(shí)也不進(jìn)行基材的防水處理，有時(shí)也進(jìn)行親水處理。另外，在GDL基材中也可以含浸石墨、碳黑或它們的混合物。
[0051]作為圖1所示的MEA的制造方法，具有在通過(guò)熱壓在電解質(zhì)膜10上轉(zhuǎn)印或直接涂布催化劑層20的物質(zhì)上接合在⑶L基材32上粘合MPL片材并設(shè)有MPL31的⑶L30的方法。另外，也可以將在GDL30的MPL側(cè)預(yù)先涂布催化劑層20的物質(zhì)通過(guò)熱壓與電解質(zhì)膜10接合，也可以使用兩種方法。此時(shí)，作為電解質(zhì)膜、催化劑層內(nèi)的電解質(zhì)，根據(jù)是否采用全氟磺酸系和烴系的電解質(zhì)的任一種，熱壓等涂布、接合條件也適當(dāng)變更。
[0052]圖4?7是示意性地表示將上述的各種碳材料組合而形成的本發(fā)明的⑶L的MPL的構(gòu)造例的擴(kuò)大概略圖。圖4表示由鱗片狀石墨、作為導(dǎo)電通路部件的碳黑、未圖示的粘合劑而構(gòu)成的例子。在該情況下，形成薄的形狀的鱗片狀石墨Gf以沿著層的面方向的狀態(tài)大致平行地配向。其結(jié)果，確保MPL的厚度及面方向的透氣性和面方向的導(dǎo)電性。另一方面，通過(guò)將碳黑C作為導(dǎo)電通路部件介設(shè)于其間，實(shí)現(xiàn)提高厚度方向的導(dǎo)電性的作用。
[0053]圖5表示作為碳材料使大徑和小徑的鱗片狀石墨組合的例子。小徑鱗片狀石墨Gfs與碳黑相同，介設(shè)于大徑的鱗片狀石墨Gf之間，作為導(dǎo)電通路部件發(fā)揮作用，提高厚度方向的導(dǎo)電性。
[0054]另外，圖6表示作為碳材料使鱗片狀石墨、碳黑和粒狀石墨組合而構(gòu)成的例子。鱗片狀石墨Gf及碳黑C與圖4的情況相同地發(fā)揮作用，并且作為間隔部件發(fā)揮作用，由此，粒狀石墨Gg提聞厚度及面方向的透氣性。
[0055]另外，圖7表不由大徑鱗片狀石墨Gf、小徑鱗片狀石墨Gfs、粒狀石墨Gg的組合而構(gòu)成的構(gòu)造例。即使在該情況下，大徑鱗片狀石墨Gf也確保厚度方向的透氣性和面方向的透氣性及導(dǎo)電性。而且，小徑鱗片狀石墨Gfs作為導(dǎo)電通路部件發(fā)揮作用，粒狀石墨Gg作為間隔部件發(fā)揮作用。
[0056]另外，圖4?7所示的碳材料的組合的MPL的構(gòu)造例只不過(guò)是代表例。即，例如，在圖4所示的構(gòu)造中添加小徑鱗片狀石墨，或進(jìn)一步追加粒狀石墨，除此之外還考慮各種各樣的組合。
[0057][⑶L的制造方法]
[0058]本方式的⑶L可以通過(guò)圖8所示那樣的工序制造。即，首先，制備含有鱗片狀石墨、粘合劑，根據(jù)需要而進(jìn)一步含有作為導(dǎo)電通路部件或間隔部件的碳黑或粒狀石墨、表面活性劑、增粘劑的MPL墨。
[0059]接著，進(jìn)行攪拌、脫泡處理之后，涂布在耐熱性保持片材上，以例如80°C干燥，并以330°C進(jìn)行燒結(jié)，由此，得到片材狀的MPL (MPL片材)。作為在此使用的保持片材，只要具備可抗上述那樣的溫度進(jìn)行的燒結(jié)處理的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，就沒(méi)有特別限定。例如，可使用由聚酰亞胺、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚四氟乙烯等構(gòu)成的厚度為10?IOOiim左右的薄膜。另外，它們之中，可以?xún)?yōu)選使用聚酰亞胺薄膜。
[0060]而且，通過(guò)將從保持片材剝離的MPL片材粘合于由例如進(jìn)行了防水處理的碳紙構(gòu)成的⑶L基材上，可以得到⑶L。粘合可以通過(guò)例如熱壓進(jìn)行。在通過(guò)這種方法得到的⑶L中，與在GDL基材上直接涂布墨而得到的物質(zhì)不同，將另外準(zhǔn)備的MPL片材粘合于GDL基材上。其結(jié)果，不會(huì)產(chǎn)生墨浸入引起的基材堵塞，GDL的透氣性提高。另外，通過(guò)進(jìn)行片材的貼附，基材表面的凹凸被吸收。其結(jié)果，能夠緩和GDL基材纖維對(duì)電解質(zhì)膜的攻擊性，GDL的導(dǎo)電性提高。
[0061]實(shí)施例
[0062]下面，基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體地說(shuō)明，但本發(fā)明不限定于這些實(shí)施例。
[0063](實(shí)施例1)
[0064]作為MPL片材形成用墨,使用平均平面直徑15 ii m、厚度0.1 ii m、比表面積6m2 / g的鱗片狀石墨、一次粒徑40nm、比表面積37m2 / g的乙炔黑(導(dǎo)電通路部件)和作為粘合劑的PTFE。準(zhǔn)備分別以61.25%,8.75%、30%的比例含有這些鱗片狀石墨、乙炔黑及PTFE的MPL墨。接著，將得到的MPL墨涂布于由厚度25 ii m的聚酰亞胺薄膜構(gòu)成的耐熱性保持片材上。將其以80°C干燥后，以330°C進(jìn)行燒結(jié)。而且，通過(guò)從保持片材剝離，得到厚度60
的MPL片材。
[0065]接著，在由PTFE進(jìn)行了 10%防水處理的厚度200 iim的碳紙構(gòu)成的⑶L基材上，以80°C、2MPa、3分鐘的條件進(jìn)行熱壓接合，得到⑶L。另一方面，在25 y m的全氟磺酸系電解質(zhì)膜上形成由鉬擔(dān)載碳、全氟磺酸系電解溶液構(gòu)成的催化劑層。利用通過(guò)上述得到的GDL夾持催化劑層，得到MEA。另外，鉬擔(dān)載碳的擔(dān)載量在陽(yáng)極側(cè)設(shè)為0.05mg / cm2，在陰極側(cè)設(shè)為 0.35mg / cm2。
[0066](實(shí)施例2)
[0067]除了將上述鱗片狀石墨、乙炔黑、PTFE分別設(shè)為56.875%U3.125%、30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例2的MEA。
[0068](實(shí)施例3)
[0069]除了將上述鱗片狀石墨、乙炔黑、PTFE分別設(shè)為52.5%、17.5%、30%的比例以夕卜，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例3的MEA。
[0070](實(shí)施例4)
[0071]除了將上述鱗片狀石墨、乙炔黑、PTFE分別設(shè)為43.75%,26.25%、30%的比例以夕卜，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例4的MEA。
[0072](實(shí)施例5)
[0073]除了將上述鱗片狀石墨、乙炔黑、PTFE分別設(shè)為35%、35%、30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例5的MEA。
[0074](實(shí)施例6)
[0075]在上述碳材料的基礎(chǔ)上,使用平均粒徑2 ii m、比表面積IOOm2 / g的粒狀石墨(間隔部件)。將這些鱗片狀石墨、乙炔黑、粒狀石墨、PTFE的混合比分別設(shè)為52.5%、8.75%、
8.75%、30%的比例，制備MPL墨。除此以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例6的MEA。[0076](實(shí)施例7)
[0077]除了將上述鱗片狀石墨、乙炔黑、粒狀石墨、PTFE分別設(shè)為30.625%、8.75%、
30.625%、30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例7的MEA。
[0078](實(shí)施例8)
[0079]代替上述乙炔黑，使用相同的導(dǎo)電通路部件即具有1000m2 / g以上的比表面積的科琴黑。除了將這些鱗片狀石墨、科琴黑、PTFE分別設(shè)為69.125%,0.875%,30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例8的MEA。
[0080](實(shí)施例9)
[0081]除了將上述鱗片狀石墨、科琴黑、PTFE分別設(shè)為67.375%,2.625%、30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例9的MEA。
[0082](實(shí)施例10)
[0083]除了將上述鱗片狀石墨、科琴黑、PTFE分別設(shè)為65.625%,4.375%、30%的比例以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例10的MEA。
[0084](實(shí)施例11)
[0085]除了不混合導(dǎo)電通路部件或間隔部件，而使用70%的上述鱗片狀石墨、30%的PTFE的比例的墨以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該實(shí)施例11的MEA。
[0086](比較例I)
[0087]使用涂布有只由碳黑構(gòu)成的MPL墨的市場(chǎng)銷(xiāo)售產(chǎn)品⑶L (SGL碳社制25BCH)。除此以外，通過(guò)重復(fù)與上述實(shí)施例相同的操作，得到該比較例的MEA。
[0088]將通過(guò)以上制作的實(shí)施例及比較例的⑶L的規(guī)格在表1中集中表示。
[0089][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于，具備: 氣體擴(kuò)散層基材； 形成于所述基材表面的微細(xì)多孔質(zhì)層， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層由粘合劑和至少含有鱗片狀石墨的碳材料構(gòu)成為片材狀， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層的片材粘合于所述基材。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述碳材料含有鱗片狀石墨和導(dǎo)電通路部件及間隔部件的至少一方。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述鱗片狀石墨的平均平面直徑為5 y m?50 y m。
4.如權(quán)利要求2或3所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述導(dǎo)電通路部件為乙炔黑。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述乙炔黑的質(zhì)量比例為微細(xì)多孔質(zhì)層整體的5?25%。
6.如權(quán)利要求2或3所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述導(dǎo)電通路部件為具有IOOOm2 / g以上的比表面積的碳黑。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述碳黑的質(zhì)量比例為微細(xì)多孔質(zhì)層整體的I?5%。
8.如權(quán)利要求3所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述導(dǎo)電通路部件為具有不足5 u m的平均平面直徑的鱗片狀石墨。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述鱗片狀石墨的質(zhì)量比例為微細(xì)多孔質(zhì)層整體的30?70%。
10.如權(quán)利要求2或3所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述間隔部件為具有I U m?10 y m的平均粒徑的粒狀石墨。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述粒狀石墨的質(zhì)量比例為微細(xì)多孔質(zhì)層整體的5?35%。
12.一種燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制造方法，其特征在于，具有: 調(diào)整含有粘合劑及碳材料的微細(xì)多孔質(zhì)層片材制作用的墨的工序； 向保持片材上涂敷所述墨進(jìn)行燒結(jié)而在所述保持片材上形成微細(xì)多孔質(zhì)層片材的工序; 從所述保持片材剝離所述微細(xì)多孔質(zhì)層片材的工序； 將從所述保持片材剝離的所述微細(xì)多孔質(zhì)層片材粘合于所述氣體擴(kuò)散層基材的工序。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK103534852SQ201280023067
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月17日
【發(fā)明者】奧山陽(yáng)三, 桑田茂昌, 兒玉一史 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社