燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制造方法
【專利摘要】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。
【專利說明】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等移動(dòng)體用的動(dòng)力源，也開始其的實(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)膜同種類或不同種類的離子交換樹脂(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，例如專利文獻(xiàn)I中公開有由PTFE樹脂的微細(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]專利文獻(xiàn)1:(日本)特開昭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，在上述專利文獻(xiàn)I所記載的材料中，通過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。
【專利附圖】

【附圖說明】
[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)比表示通過實(shí)施例及比較例得到的電池單元在濕潤條件下的發(fā)電性能的圖表。
[0022]符號(hào)說明
[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)行更具體地說明。在此，下面將MPL片材簡稱作片材。另外，在本說明書中，在沒有特別說明則表示質(zhì)量百分率。另外，為了便于說明，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脂、將磷酸等無機(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并提高燃料氣體及氧化劑氣體這樣的反應(yīng)氣體的透過性的材料。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)選使用分散性優(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，可以優(yōu)選使用聚酰亞胺薄膜。
[0060]而且，通過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。粘合可以通過例如熱壓進(jìn)行。在通過這種方法得到的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)銷售產(chǎn)品⑶L (SGL碳社制25BCH)。除此以外，通過重復(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】奧山陽三, 桑田茂昌, 兒玉一史 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社