專利名稱：：經(jīng)改質(zhì)碳化基材及其制備方法與用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明系關(guān)于一種碳化基材的改質(zhì)方法，特別關(guān)于一種可用作燃料電池電極的氣體擴(kuò)散層的改質(zhì)方法；以及所得經(jīng)改質(zhì)碳化基材與其用途。
背景技術(shù)：
：近年來，由于能源短缺及地球溫室效應(yīng)等因素，氫供系統(tǒng)的燃料電池(fuelcell)的發(fā)展引起人們的注意；蓋燃料電池非但無非充電電池用完即丟所導(dǎo)致的環(huán)保上的問題，亦可免除傳統(tǒng)充電電池需進(jìn)行耗時(shí)充電程序的缺點(diǎn)。此外，燃料電池的排放物(例如水)對環(huán)境亦無危害。在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)及直接甲醇燃料電池(directmethanolfuelcell,DMFC)因可在低溫下操作，又可產(chǎn)生高電流密度，故被廣泛地應(yīng)用在車輛、聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及各類3C產(chǎn)品(如筆記型電腦、手機(jī)等)的電源設(shè)備中。以PEMFC為例，其每一個(gè)單電池的主要構(gòu)件包括膜電極組(membrane-electrodeassembly,MEA)及具有氣體流道的雙極板(bipolarplates)。一般而言，MEA系由一質(zhì)子交換膜(通常為一高分子膜，作為電解質(zhì))、分別位于該質(zhì)子交換膜兩側(cè)的兩個(gè)觸媒層、及分別置于該兩個(gè)觸媒層外側(cè)的兩個(gè)氣體擴(kuò)散層(另可稱為「電極氣體擴(kuò)散層」)所組成。目前，PEMFC及DMFC大都采用多孔性碳紙或碳布為電極的氣體擴(kuò)散層的材料。該擴(kuò)散層除了可使反應(yīng)氣體通過及作為供電子移動(dòng)的通道之外，由于其具有輔助水管理(watermanagement)的作用，故能使催化反應(yīng)中所產(chǎn)生的水順利排除，以避免水泛濫而阻礙氣體的傳輸，進(jìn)而影響燃料電池的性能。因此，氣體擴(kuò)散層的水管理能力，系決定燃料電池電性的重要因素之一。為了避免水泛濫而影響燃料電池的性能，通常會(huì)在氣體擴(kuò)散層的碳5基材上做疏水處理，使多余的水可容易地排出，以延長燃料電池壽命。再者，由于目前使用的碳布及碳紙表面凹凸不平，此會(huì)影響到觸媒層上觸媒的反應(yīng)及效率；是以，除了疏水處理之外，亦有必要對碳布或碳紙的表面進(jìn)行平整處理。Taniguchi等人在美國專利第6，083，638號(hào)中揭示，將纖維狀碳基材(fibrouscarbonsubstrate)先經(jīng)氟化樹月旨(fluororesin)進(jìn)行疏水處理后，在360。C下烘干；接著再用疏水性高分子(hydrophobicpolymer)及親水性高分子(hydrophi1icpolymer)進(jìn)行處理，而在碳基材上制造出疏水性及親水性的通道。美國專利第5，561,000號(hào)則揭示先在碳布或碳紙上以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)進(jìn)行疏水處理，然后再于經(jīng)PTFE疏水處理的碳布或碳紙上涂上一層PTFE與碳的混合物。Gorma等人則于W000/54350中敎?zhǔn)靖牧济绹鴮＠?,561,000號(hào)所揭露的技術(shù)，進(jìn)一步處理美國專利第5，561，000號(hào)所制得的碳布或碳紙，改變其為具親水性的結(jié)構(gòu)物。美國專利第6,733，915號(hào)揭露利用多孔性碳布或碳紙作為基材，先將碳基材含浸于一氟化物高分子(fluorinatedpolymer)溶液中進(jìn)行疏水處理后，再于該經(jīng)含浸碳基材上涂布上一層氟化物高分子與碳顆粒的混合物，之后于高溫下進(jìn)行烘干而得到經(jīng)改質(zhì)碳基材。美國專利第7,063,913號(hào)專利中則揭示，先將多孔性碳基材以疏水性高分子(hydrophobicpolymer)進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行干燥而得到一具疏水性的碳基材；然后，再涂上一層氟碳高分子(fluorocarbonpolymer)及碳顆粒的混合物，最后再進(jìn)行熱處理。簡言之，先前技術(shù)為了得到疏水性氣體擴(kuò)散層，通常會(huì)先對碳基材進(jìn)行疏水處理以得到具疏水性的碳基材，其后再進(jìn)行諸如涂布、含浸或噴灑等方法以對該經(jīng)疏水處理的碳基材施用疏水性高分子與碳顆粒的混合物，接著于高溫下進(jìn)行熱處理，從而得到一表面上具有碳顆粒層的疏水性氣體擴(kuò)散層材料。本案發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，可以相對簡易的方式提供疏水性碳化基材，得到一具有所欲導(dǎo)電性、疏水性、透氣性及平整性的經(jīng)改質(zhì)碳化基材。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一目的，在于提供一種碳化基材的改質(zhì)方法，包含提供一碳化基材；提供一含疏水性高分子與碳材的混合物；將該混合物施用至該碳化基材的至少一面；以及于惰性氣體保護(hù)下，熱處理該碳化基材。本發(fā)明的另一目的，在于提供一種經(jīng)改質(zhì)碳化基材，包含一碳化基材及一整平層，該整平層系實(shí)質(zhì)上直接地位于該碳化基材的至少一面上。本發(fā)明的又一目的，在于提供一種燃料電池，其特點(diǎn)在于其至少一電極含有如上所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材。圖l系一種根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)改質(zhì)碳化基材的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖2系一種根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的單電池的膜電極組的結(jié)構(gòu)示意圖中符號(hào)說明如下1、la、lb碳化基2、2a、2b整平層3a、3b觸媒層質(zhì)子交換膜5a、5b雙極板10經(jīng)改質(zhì)碳材22疏水性材碳化基材高分子具體實(shí)施例方式本發(fā)明碳化基材的改質(zhì)方法中所用的碳化基材，系可選自以下群組碳布、碳紙、及碳?xì)?。進(jìn)一步言之，任何可用作燃料電池中的氣體擴(kuò)散層的材料皆可施用于本發(fā)明方法，例如Toray公司出產(chǎn)的TGP等級碳紙、TextronUSA出產(chǎn)的CPW-003碳織物、LeCarboneloraine出產(chǎn)的TCM128及TGM389碳織物、Zoltek出產(chǎn)的PanexPW-03、SGL出產(chǎn)的SigracetGDLIOAA、Lydell出產(chǎn)的Technimat、及Spectracorp出產(chǎn)的Spectracarb等?；蛘?，可選購市面上的碳化基材(例如銓能科技股份有限公司，型號(hào)FCW1005的碳布)或以已知方式制得的碳化基材(例如美國專利申請案公開第2006/0214320號(hào)所揭露方法所獲得的碳纖維紙)，經(jīng)高溫?zé)崽幚硖幚矶峁┍景l(fā)明方法中所用的碳化基材。于本發(fā)明方法中，系直接于碳化基材的至少一表面上施用一含疏水性高分子及碳材的混合物，以于該表面形成一整平層。于此，可用于本發(fā)明中的疏水性高分子通常系含有氟碳鍵者，只要該氟碳鍵可提供所欲的疏水性。舉例言之，該疏水性高分子可選自以下群組聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚六氟丙烯(polyhexafluoropropylene,PHFP)、六氟丙烯與四氟乙烯的共聚物(copolymersofhexafluoropropyleneandtetrafluoro—ethylene,FEP)、四氟乙烯與全氟丙基乙基醚的共聚物(copolymersoftetrafluoroethyleneandperfluoropropylvinylether，PFA)、四氟乙烯與全氟甲基乙基醚的共聚物(copolymers0ftetrafluoroethyleneandperfluororaethylvinylether，MFA)、氯三氟乙烯的均聚物(homopolymersofchlorotrifluoroethylene，PCTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)、聚氟乙烯(poly(vinylfluoride)，PVF)、四氟乙烯與乙烯的共聚物(copolymeroftetrafluoroethyleneandethylene,ETFT)、偏氟乙烯及六氟丙烯及四氟乙烯的共聚物(copolymerofvinylidenefluoride，hexafluoro-propylene,andtetreifluoroethylene，THV)、及其組合；較佳系選自以下群組PTFE、FEP、PFA、及其組合。根據(jù)本發(fā)明，疏水性高分子一般系以溶液形式(如分散液)加以使用。舉例言之，可直接使用由單體進(jìn)行乳化聚合反應(yīng)所得的含疏水性高分子的分散液；或者，混合疏水性高分子粉末、溶劑、及界面活性劑而提供一含疏水性高分子的分散液。目前，市面上已有一些疏水性高分子的溶液產(chǎn)品，可直接用于本發(fā)明中；例如，杜邦公司的T30PTFE溶液，DaikinIndustries公司生產(chǎn)的NEOFLONFEPND-20。除疏水性高分子外，該混合物另包含一碳材，其可使形成于該碳化基材上的整平層具導(dǎo)電性，維持碳化基材固有的導(dǎo)電性能。任何合宜形8式的碳材皆可用于本發(fā)明，例如粉末碳材、纖維碳材、或其組合。其中，該碳材可為例如(但不限于)碳黑、石墨、乙炔墨、或其組合。舉例言之(但不限于)，可采用以下粉末碳材碳黑(如Cabot公司的VuelcanX072、Cabot公司的VuelcanXC-72R、及KoreaSteelChemicalCorp.的N660)、石墨(人工石墨或天然石墨)、乙炔墨、或其組合；較佳為碳黑。于此，用于本發(fā)明的粉末碳材的粒徑一般為10至200納米，較佳為15至150納米，最佳為20至200納米。此外，當(dāng)采用纖維形式的碳材時(shí)，一般系采用長度為5至200毫米的短碳纖維。碳材的用量系視實(shí)際需要而定，以疏水性高分子與碳材的總重量計(jì)，一般為1至70重量％，較佳為3至20重量％。于根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施方式中，系將碳材添加至疏水性高分子的溶液中，經(jīng)均勻攪拌后提供所欲的含疏水性高分子與碳材的混合物。接著，以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃摵杷愿叻肿优c碳材的混合物施用至碳化基材的至少一表面上。舉例言之，可以選自以下的方式進(jìn)行該施用噴灑、網(wǎng)印、涂布、含浸、及其組合。其中，該混合物的施用量系視許多因素而定，例如施用的方式、碳化基材的種類與面積大小、整平層所需厚度、及混合物中的固含量等。舉例言之，相較于碳紙，碳布表面凹凸程度較大，故需要較大的施用量。一般而言，混合物的施用量為每平方公分碳化基材O.l至40毫克。此外，亦可視需要將該混合物施用至碳化基材的兩面，使該碳化基材的兩面皆具改良性質(zhì)，進(jìn)一步提高該碳化基材的水管理能力及其電池性能。當(dāng)施用于碳化基材的兩面時(shí)，混合物于各面的施用量亦如上所述，為每平方公分O.l至40毫克。之后，對該經(jīng)施用碳材與疏水性高分子的碳化基材于惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熱處理，以燒結(jié)該混合物而形成一整平層于該基材上。該熱處理的溫度通常系控制在高于疏水性高分子的熔點(diǎn)，較佳為200至450。C，更佳為250至400。C;熱處理的時(shí)間并非本發(fā)明的重點(diǎn)，一般為5至120分鐘，較佳為10至90分鐘，更佳為20至50分鐘?？捎糜诒景l(fā)明熱處理步驟中的惰性氣體可選自以下群組氮?dú)?、氦氣、氬氣、及其組合，基于成本上的考量，較佳系使用氮?dú)狻８鶕?jù)本發(fā)明于惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熱處理，可減少因碳材料的氧化所產(chǎn)生的重量上的損失，進(jìn)而避免所得經(jīng)改質(zhì)碳化基材的導(dǎo)電性能的降低。經(jīng)熱處理后的疏水性高分子會(huì)形成具有細(xì)小孔洞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物，有利于氣體的進(jìn)出，且因其具有疏水性質(zhì)亦利于排除多余的水。根據(jù)本發(fā)明方法，較佳地，系于該熱處理步驟之前，先進(jìn)行一干燥步驟，以去除混合物中多于的水份及/或溶劑。舉例言之，可采用將該經(jīng)混合物施用的碳化基材直接置于室溫環(huán)境下的自然干燥法，或?qū)⑵渲糜?0至150。C的烘箱中或輔以熱氣的強(qiáng)制干燥方式而進(jìn)行該水份及/或溶劑的去除。根據(jù)本發(fā)明方法，可循環(huán)進(jìn)行該混合物施用步驟與該視需要的干燥步驟1至10次，以提升所得碳化基材的燃料電池性能。之后，再于惰性氣體保護(hù)下，進(jìn)行熱處理程序。本案發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，無需如前技藝般地先對碳化基材進(jìn)行疏水性高分子預(yù)處理，如本發(fā)明方法般地直接施用含疏水性高分子及碳材的混合物于碳化基材上，便可賦予碳化基材所欲的疏水性能，簡化整個(gè)碳化基材的改質(zhì)制程，降低制備成本。同時(shí)，藉由本發(fā)明改質(zhì)方法所制造的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，仍可展現(xiàn)所欲的導(dǎo)電性及透氣性。本發(fā)明另提供一種經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其包含一碳化基材及一整平層，該整平層系實(shí)質(zhì)上直接地位于該碳化基材的至少一面上。于此，所謂「該整平層實(shí)質(zhì)上直接地位于該碳化基材的至少一面上」系指于該碳化基材與該整平層的間并不單獨(dú)存在如先前技藝的預(yù)處理所形成的疏水物質(zhì)層。關(guān)于碳化基材、疏水性高分子及碳材的使用條件，系如上文所述，于此不再贅述。圖l系顯示本發(fā)明經(jīng)改質(zhì)碳化基材的一實(shí)施方式的示意圖，其中經(jīng)改質(zhì)碳化基材10系包含一碳化基材1及覆于其一表面的整平層2，整平層2系包含碳材21及疏水性高分子22，其中，疏水性高分子22于熱處理之后系呈具細(xì)小微孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(為簡化起見，圖中未繪示)。于此，如前述，可視需要于碳化基材1的兩面皆提供整平層2。本發(fā)明的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其表面的整平層因含有碳材故可維持碳化基材的導(dǎo)電性、因含有熱處理后的疏水性高分子(呈具細(xì)小微孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))故展現(xiàn)所欲透氣度與其固有的疏水性；是以，其系特別適用于燃料電池中的電極氣體擴(kuò)散層材料。因此，本發(fā)明另提供一種燃料電池，尤其是PEMFC及DMFC，其特點(diǎn)10在于該燃料電池的至少一電極系含有本發(fā)明經(jīng)改質(zhì)碳化基材。如前述關(guān)于先前技術(shù)的說明，燃料電池中各元件的材料與結(jié)構(gòu)，系此
技術(shù)領(lǐng)域：
中具有通常知識(shí)者所熟知者。舉例言之，可參見中國臺(tái)灣專利第1272739號(hào)及美國專利公開第2007/0117005Al號(hào)，其所揭露內(nèi)容均并于此處以供參考。請參考圖2，其繪示一根據(jù)本發(fā)明的PEMFC單電池的主要構(gòu)件示意圖，包括一膜電極組(MEA)及具有氣體通道的雙極板5a、5b。該膜電極組系由一質(zhì)子交換膜4、位于該質(zhì)子交換膜4兩側(cè)的觸媒層3a、3b、以及分別置于觸媒層3a、3b外側(cè)的碳化基材la、lb所組成，碳化基材la、lb系分別于面向觸媒層3a、3b的表面上具有整平層2a、2b。其中，質(zhì)子交換膜4可使用杜邦公司的Nafion系列產(chǎn)品，觸媒層3a、3b可為鈀或鉑觸媒。于此，亦可使用兩面皆覆有整平層2a、2b的碳化基材la、lb于燃料電池的膜電極組中。如本案后附實(shí)施例的結(jié)果顯示，含有本發(fā)明經(jīng)改質(zhì)碳化基材的燃料電池，系展現(xiàn)優(yōu)異的電池性能，如電流密度。茲以下列具體實(shí)施方式以進(jìn)一步例示說明本發(fā)明，其中，所采用的量測儀器及方法分別如下(A)透氣度量測方法透氣度量測儀GurleyModel4110，美國透氣度用圓桶容量300cc透氣度用圓桶重量5oz量測面積l平方英吋將試片裁切為10公分X10公分大小，根據(jù)ASTMD726-58規(guī)范進(jìn)行測試o(B)接觸角量測方法接觸角量測儀GBXmodelD-SInstruments,法國濕潤性常以接觸角來評量，接觸角是指液滴與固體基材表面接觸點(diǎn)的切線與固-液界面的夾角e，即所謂的接觸角。接觸角越小代表濕潤性越好，反的代表濕潤性不良。一般而言，0°<9<90°歸為親水性(hydrophilic);6>900歸為疏水性(hydrophobic);6=0°為完全濕潤(completewetting)。接觸角計(jì)算系根據(jù)Young，sContactAngle方程式9ivcos0=0sv-6si。其中，eh為液相-氣相夾角；e"為固相-氣相夾角；eu為固相-液相夾角。(c)電池測試方法電池測試機(jī)臺(tái)FCEDPD50AsiaPacificFuelCellTechnologies,Ltd.電池負(fù)載機(jī)型號(hào)Chroma63103測試條件陽極燃料氫氣(99.999%)，流速200c.c./min陰極燃料氧氣(工業(yè)用)，流速200c.c./min陽極陰極増濕溫度40°C增濕瓶出口相對濕度90%電池測試溫度40°C電池組裝扭力40kgfcm電池反應(yīng)面積25cm2將熱處理完成的試片裁切為5公分x5公分大小，將其與美國Gore所生產(chǎn)的經(jīng)觸媒涂覆膜(catalyst-coatedmembrane，CCM，型號(hào)PRIMEASeries5621MESGA，具有35微米厚度及45Pt合金/60Pt)，以40kgfcm扭力組合，雙極板采用具柵欄狀(gate-type)的溝渠的石墨板，最后再利用不銹鋼板及聚四氟乙烯襯墊(TeflonGasket)封裝成一個(gè)測試用的單電池，進(jìn)行測試。(D)表面電阻測試方法表面電阻測試機(jī)臺(tái)LorestaGPModelMCP-T600，Mitubishi化學(xué)公司(MitubishiChemicalCorp.)將試片裁切為5公分x5公分大小，依照J(rèn)ISK7194規(guī)范進(jìn)行測試。實(shí)施例l將依照美國專利申請案公開第2006/0214320號(hào)所述方法制造出的碳紙，于氮?dú)獗Ｗo(hù)下在130(TC下進(jìn)行碳化歷時(shí)5分鐘。所得碳紙的厚度為550微米，重量為125g/m2。取4克VulcanXC-72(CabotCorp.,BostonMass.)與濃度10%的12FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司的FEP121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續(xù)攪拌5分鐘，得到一液態(tài)漿料。將碳紙置于一平整固體表面上，將所得漿料噴涂至該碳紙的一面上。之后，將噴涂后的碳紙置于70T的烘烤爐中干燥15分鐘；再于350。C下以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體進(jìn)行熱處理，得到一經(jīng)改質(zhì)碳紙。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l中所列。實(shí)施例2使用與實(shí)施例l相同的原料與步驟，惟共進(jìn)行該噴涂與干燥步驟的循環(huán)5次。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l中所列。實(shí)施例3使用與實(shí)施例l相同的原料與步驟，惟共進(jìn)行該噴涂與干燥步驟的循環(huán)10次。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l中所列。比較例l使用與實(shí)施例l相同的原料與步驟，惟于噴涂步驟之前，先將碳紙含浸于3。/。的FEP溶液(由97毫升的去離子水稀釋3毫升的杜邦公司的FEP121A溶液而得)，之后于7(TC下烘干15分鐘，再接著進(jìn)行實(shí)施例l的噴涂、干燥及熱處理程序。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l中所列。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>如表1所示，本發(fā)明于未經(jīng)疏水性預(yù)處理情形下所提供的經(jīng)改質(zhì)碳紙，仍具所欲疏水性，此可由其噴涂面的接觸角均大于90度所呈現(xiàn)。此外，相較于比較例l，使用本發(fā)明未先經(jīng)疏水性處理的經(jīng)改質(zhì)碳紙(實(shí)施例l)于燃料電池時(shí)，系可展現(xiàn)較佳的電流密度(提高17%)。另，如實(shí)施例2與3的結(jié)果顯示，進(jìn)行多次噴涂及烘干步驟，可適度提高燃料電池的效能。實(shí)施例4將市售碳布(銓能科技股份有限公司，型號(hào)FCW1005)于氮?dú)獗Ｗo(hù)下在1750。C熱處理歷時(shí)5分鐘。取2克VulcanXC-72(Cabot公司(CabotCorp.),BostonMass.)與2克N660(韓國鋼鐵化學(xué)有限公司(KoreaSteelChemicalCo.，Ltd.))與濃度10。/。的FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司的FEP121A溶液而得)均勻混合，于室溫下連續(xù)攪拌5分鐘，得到一液態(tài)漿料。將碳布置于一平整固體表面上，將所得漿料噴涂至該碳布的一面上。之后，將噴涂后的碳布置于7(TC的烘烤爐中干燥15分鐘；再于350。C下以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體進(jìn)行熱處理，得到一經(jīng)改質(zhì)碳布。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表2中所列。比較例2采用與實(shí)施例4相同的原料與步驟，惟于噴涂步驟之前，先將碳布含浸于3y。的FEP溶液(由97毫升的去離子水稀釋3毫升的杜邦公司的FEP121A溶液而得)，之后于70"C下烘干15分鐘，再接著進(jìn)行實(shí)施例4的噴涂、干燥及熱處理程序。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表2中所列。比較例3采用與實(shí)施例4相同的原料碳布于氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在1750T下進(jìn)行熱處理歷時(shí)5分鐘，接著將該碳布含浸于3。/。的FEP溶液(由97毫升的去離子水稀釋3毫升的杜邦公司的FEP121A溶液而得)，之后于70。C下烘干15分鐘。進(jìn)行如實(shí)施例4所述的噴涂及干燥程序，之后于350。C下在空氣環(huán)境中進(jìn)行熱處理，得到一經(jīng)改質(zhì)碳布。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表2中所列。比較例4采用與實(shí)施例4相同的原料與步驟，惟熱處理步驟系于空氣環(huán)境中進(jìn)行。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表2中所列。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>由表2可知，相較于比較例2至比較例4，本發(fā)明經(jīng)改質(zhì)碳布(實(shí)施例4)系展現(xiàn)相當(dāng)?shù)氖杷?，且其使用于燃料電池時(shí)，可呈現(xiàn)較高的電池性能。此外，于空氣中進(jìn)行熱處理所得的經(jīng)改質(zhì)碳布的重量損失達(dá)1.84重量％(比較例3)及1.60重量％(比較例4)，高于惰性氣體保護(hù)下熱處理所得者(實(shí)施例4，0.76重量％)。實(shí)施例5取用市售碳紙TGP-H-090(Toray公司)作為原料。取2克VulcanXC-72(Cabot公司(CabotCorp.)，BostonMass.)與2克N660(韓國鋼鐵化學(xué)有限公司(KoreaSteelChemicalCo.，Ltd.))與濃度10。/o的FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司FEP121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續(xù)攪拌5分鐘，得到一液態(tài)漿料。將碳紙置于一平整固體表面上，將所得漿料噴涂至該碳布的一面上。之后，將噴涂后的碳紙置于70。C的烘烤爐中干燥15分鐘；再于350。C下以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體進(jìn)行熱處理，得到一經(jīng)改質(zhì)碳紙。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表3中所列。比較例5采用與實(shí)施例5相同的原料與步驟，惟于噴涂步驟之前，先將碳紙含浸于3y。的FEP溶液(由97毫升的去離子水稀釋3毫升的杜邦公司的FEP121A溶液而得)，之后于70X下烘干15分鐘，再接著進(jìn)行實(shí)施例5的噴涂、干燥及熱處理程序。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表3中所列。16表3<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由表3可知，相較于比較例5，本發(fā)明未先經(jīng)疏水性處理的經(jīng)改質(zhì)碳紙(實(shí)施例5)系展現(xiàn)相當(dāng)?shù)氖杷?，且其使用于燃料電池時(shí)，可呈現(xiàn)較佳的電流密度(提高22%)。實(shí)施例6將市售碳布(銓能科技股份有限公司，型號(hào)FCW1005)，于氮?dú)獗Ｗo(hù)下，再于175(TC下進(jìn)行熱處理歷時(shí)5分鐘。取2克VulcanXC-72(CabotCorp.，BostonMass.)與2克腦0(KoreaSteelChemicalCo.,Ltd.)與濃度10。/o的FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司的FEP121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續(xù)攪拌5分鐘，得到一液態(tài)漿料。將碳布置于一平整固體表面上，將所得漿料噴涂至該碳布的一面上。之后，將噴涂后的碳布置于7(TC的烘烤爐中干燥15分鐘。再將該槳料噴涂至該碳布的另一面，并再置于7(TC的烘烤爐中干燥15分鐘。接著，于35(TC下以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體進(jìn)行熱處理，得到一經(jīng)改質(zhì)碳布。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陰極而實(shí)施例4所得者系用于陽極，量測的各性質(zhì)系如表4中所列。實(shí)施例7采用與實(shí)施例6相同的原料與步驟，得到經(jīng)改質(zhì)碳布。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極而實(shí)施例4所得者系用于陰極，量測的各性質(zhì)系如表4中所列。實(shí)施例8采用與實(shí)施例6相同的原料與步驟，得到經(jīng)改質(zhì)碳布。利用上述測試方法進(jìn)行各項(xiàng)測試，其中于電池性能測試中，所得經(jīng)改質(zhì)碳布系用于陽極及陰極，量測的各性質(zhì)系如表4中所列。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>由表4可知，無論對碳化基材進(jìn)行單面改質(zhì)或雙面改質(zhì)，且無論將所得經(jīng)改質(zhì)碳化基材用于于燃料電池的陰極或陽極，均可以獲得良好的電池效能。上述的實(shí)施例僅用來例舉本發(fā)明的實(shí)施方式，以及闡釋本發(fā)明的技術(shù)特征，并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范疇。任何熟悉此技術(shù)者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬于本發(fā)明所主張的范圍，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍應(yīng)以下述的申請專利范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1、一種碳化基材的改質(zhì)方法，包含提供一碳化基材；提供一含疏水性高分子與碳材的混合物；將該混合物施用至該碳化基材的至少一面；以及于惰性氣體保護(hù)下，熱處理該碳化基材。2、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該碳化基材系選自以下群組碳布、碳紙、或碳?xì)帧?、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該疏水性高分子系選自以下群組聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚六氟丙烯(polyhexafluoropropylene，PHFP)、六氟丙烯與四氟乙烯的共聚物(copolymersofhexafluoropropyleneandtetrafluoro—ethylene,FEP)、四氟乙烯與全氟丙基乙基醚的共聚物(copolymersoftetrafluoroethyleneandperfluoropropy1-vinylether，PFA)、四氟乙烯與全氟甲基乙基醚的共聚物(copolymersoftetrafluoroethyleneandperfluoromethy1-vinylether，MFA)、氯三氟乙烯的均聚物(homopolymersofchlorotrifluoroethylene，PCTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride,P藩)、聚氟乙烯(poly(vinylfluoride)，PVF)、四氟乙烯與乙烯的共聚物(copolymeroftetrafluoroethyleneandethylene,ETFT)、偏氟乙烯及六氟丙烯及四氟乙烯的共聚物(copolymerofvinylidenefluorideandhexafluoropropylene，andtetrafluoroethylene，THV)、或其組合。4、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該碳材系包含粉末碳材、纖維碳材、或其組合。5、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該碳材系選自以下群組碳黑、石墨、乙炔墨、或其組合。6、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該施用系以選自以下的方式進(jìn)行噴灑、網(wǎng)印、涂布、含浸、或其組合。7、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該混合物系施用至該碳化基材的兩面上。8、如權(quán)利要求l所述的方法，其中系于該熱處理步驟的前，進(jìn)行一干燥步驟。9、如權(quán)利要求8所述的方法，其中該干燥步驟系于70至150X下進(jìn)行。10、如權(quán)利要求8所述的方法，其中系進(jìn)行該施用步驟與該干燥步驟的循環(huán)1至10次。11、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該惰性氣體系選自以下群組氮?dú)?、氦氣、氬氣、或其組合。12、如權(quán)利要求l所述的方法，其中該熱處理的溫度系高于該疏水性高分子的熔點(diǎn)。13、如權(quán)利要求12所述的方法，其中該熱處理系于200至450。C下進(jìn)行歷時(shí)5至120分鐘。14、一種經(jīng)改質(zhì)碳化基材，包含一碳化基材；以及一整平層，實(shí)質(zhì)上直接地位于該碳化基材的至少一面上。15、如權(quán)利要求14所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該碳化基材系選自以下群組碳布、碳紙、碳?xì)只蚱浣M合。16、如權(quán)利要求14所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該整平層系包含疏水性高分子及碳材。17、如權(quán)利要求16所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該疏水性高分子系選自以下群組PTFE、PHFP、FEP、PFA、MFA、PCTFE、P藩、PVF、ETFT、THV、或其組合。18、如權(quán)利要求16所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該碳材系包含粉末碳材、纖維碳材、或其組合。19、如權(quán)利要求16所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該碳材系選自以下群組碳黑、石墨、乙炔墨、或其組合。20、如權(quán)利要求14所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，其中該整平層系實(shí)質(zhì)上直接地位于該碳化基材的兩面上。21、如權(quán)利要求14所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，系用作燃料電池中的電極氣體擴(kuò)散層。22、一種燃料電池，其特征在于其至少一電極系含有如權(quán)利要求14至21中任一項(xiàng)所述的經(jīng)改質(zhì)碳化基材。全文摘要一種碳化基材的改質(zhì)方法及所得經(jīng)改質(zhì)碳化基材，該方法包括將含疏水性高分子及碳材的混合物施用至未經(jīng)疏水性處理的碳化基材上，以相對簡化程序改質(zhì)碳化基材，提供具有良好導(dǎo)電性、透氣度及疏水性的經(jīng)改質(zhì)碳化基材，該基材系有利于做為燃料電池電極中的氣體擴(kuò)散層的材料。文檔編號(hào)C01B31/00GK101462712SQ200710300510公開日2009年6月24日申請日期2007年12月19日優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日發(fā)明者劉璟翰,廖元楷,林瑞祥,柯澤豪,洪志榮,黃建鈞申請人:逢甲大學(xué)