燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的燃料電池用氣體擴(kuò)散層（30）具備：氣體擴(kuò)散層基材（31）、含有粒狀碳材料及鱗片狀石墨且形成于氣體擴(kuò)散層基材（31）上的微細(xì)多孔質(zhì)層（32）。而且，在微細(xì)多孔質(zhì)層（32）上，被鱗片狀石墨濃化的區(qū)域（32a）形成為與氣體擴(kuò)散層基材（31）的接合面（31a）大致平行的帶狀。由此，通常能夠兼得處于折衷關(guān)系的氣體擴(kuò)散層的耐燒干性和耐注滿性，從而能夠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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有微細(xì)多孔質(zhì)層且用于固體高分子燃料電池(PEFC)的氣體擴(kuò)散層及具備上述氣體擴(kuò)散層的燃料電池用膜電極接合體。
【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]于是，用于固體高分子燃料電池的氣體擴(kuò)散電極具備由與高分子電解質(zhì)膜同種類或不同種類的離子交換樹脂(高分子電解質(zhì))覆蓋的含有擔(dān)載催化劑的碳微粒子的電極催化劑層。另外，氣體擴(kuò)散電極具備向該催化劑層供給反應(yīng)氣體并且對(duì)在催化劑層產(chǎn)生的電荷進(jìn)行集電的氣體擴(kuò)散層。而且，通過將這種氣體擴(kuò)散電極的催化劑層側(cè)與高分子電解質(zhì)膜接合，形成膜電極接合體。另外，通過將多個(gè)上述膜電極接合體經(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]作為這種固體高分子燃料電池用的氣體擴(kuò)散電極，例如專利文獻(xiàn)I中記載有如下的內(nèi)容，即、在由碳紙構(gòu)成的基材上形成防水層，且在防水層和電極催化劑層之間進(jìn)一步形成保水層。另外，該防水層含有聚四氟乙烯(注冊(cè)商標(biāo))及碳黑，保水層由碳黑、結(jié)晶碳纖維(VGCF)及離聚物構(gòu)成。
[0005]專利文獻(xiàn)1:專利第3778506號(hào)說明書
[0006]在固體高分子燃料電池中，為了電解質(zhì)膜中的質(zhì)子傳導(dǎo)而需要水，將由于該水的不足而不能繼續(xù)發(fā)電的現(xiàn)象成為燒干(dry-out)。作為提高對(duì)這種燒干的耐性的方法，考慮使用能夠使在陰極產(chǎn)生的生成水快速返回到陽極的電解質(zhì)膜，或降低來自膜電極接合體內(nèi)的水的排出。但是，后者的方法一般成為與下述的耐注滿性折衷的關(guān)系。
[0007]另一方面，雖然在陰極產(chǎn)生生成水，但該生成水滯留于催化劑層、氣體擴(kuò)散層及隔板等，由此，氧在陰極催化劑層難以擴(kuò)散而不能繼續(xù)發(fā)電，將該現(xiàn)象稱為注滿(flooding)。作為提高對(duì)該注滿的耐性的方法，考慮使用能夠使在陰極產(chǎn)生的生成水快速返回到陽極的電解質(zhì)膜，或增加來自膜電極接合體內(nèi)的水的排出。但是，后者的方法一般成為與上述耐燒干性折衷的關(guān)系。
[0008]對(duì)于這樣的課題，在專利文獻(xiàn)I所公開的技術(shù)中，通過設(shè)置含有親水性的離聚物的中間層(保水層)，提高耐燒干性。但是，在專利文獻(xiàn)I的燃料電池中，若為lA/cm2程度的電流密度，則沒有問題，但若為例如2A/cm2程度的高電流密度，則避免不了因注滿引起的性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是鑒于這種目前技術(shù)具有的課題而創(chuàng)立的。于是，其目的在于，提供一種氣體擴(kuò)散層，其通常能夠兼得處于折衷關(guān)系的氣體擴(kuò)散層的耐燒干性和耐注滿性，并有助于提高固體高分子燃料電池的性能。還提供一種使用了這種氣體擴(kuò)散層燃料電池用膜電極接合體。
[0010]本發(fā)明的燃料電池用氣體擴(kuò)散層具備氣體擴(kuò)散層基材和含有粒狀碳材料及鱗片狀石墨且形成于氣體擴(kuò)散層基材上的微細(xì)多孔質(zhì)層。而且，在微細(xì)多孔質(zhì)層上，被鱗片狀石墨濃化的區(qū)域形成為與氣體擴(kuò)散層基材的接合面大致平行的帶狀。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1表示使用本發(fā)明一實(shí)施方式的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成的膜電極接合體的概略剖面圖；
[0012]圖2是表示使用本發(fā)明的其它實(shí)施方式的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成的膜電極接合體的概略剖面圖；
[0013]圖3是表示構(gòu)成上述氣體擴(kuò)散層中的微細(xì)多孔質(zhì)層的第二微細(xì)多孔質(zhì)層所包含的鱗片狀石墨的形狀的概略圖，Ca)是鱗片狀石墨的平面圖，(b)是鱗片狀石墨的側(cè)面圖；
[0014]圖4是表示構(gòu)成上述氣體擴(kuò)散層中的微細(xì)多孔質(zhì)層的第一微細(xì)多孔質(zhì)層所包含的粒狀石墨的形狀的概略圖，(a)是粒狀石墨的平面圖，(b)是粒狀石墨的側(cè)面圖；
[0015]圖5是表示使用本發(fā)明的其它實(shí)施方式的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成的膜電極接合體的概略剖面圖；
[0016]圖6是表示作為構(gòu)成上述氣體擴(kuò)散層中的微細(xì)多孔質(zhì)層的第二微細(xì)多孔質(zhì)層的一例而使用了大徑的鱗片狀石墨及碳黑的例子的概略剖面圖；
[0017]圖7是表示在上述第二微細(xì)多孔質(zhì)層中使用了鱗片狀石墨及小徑的鱗片狀石墨的例子的概略剖面圖；
[0018]圖8是表示在上述第二微細(xì)多孔質(zhì)層中使用了鱗片狀石墨、碳黑及粒狀石墨的例子的概略剖面圖；
[0019]圖9是表示在上述第二微細(xì)多孔質(zhì)層中使用了鱗片狀石墨、小徑的鱗片狀石墨及粒狀石墨的例子的概略剖面圖；
[0020]圖10是表示作為構(gòu)成上述氣體擴(kuò)散層中的微細(xì)多孔質(zhì)層的第一微細(xì)多孔質(zhì)層的一例而使用了由碳黑構(gòu)成的粒狀碳材料的例子的概略剖面圖；
[0021]圖11是表示在上述第一微細(xì)多孔質(zhì)層中使用了由碳黑和粒狀石墨構(gòu)成的粒狀碳材料的例子的概略剖面圖；
[0022]圖12是表示通過本發(fā)明的實(shí)施例及比較例得到的氣體擴(kuò)散層的電阻的圖表；
[0023]圖13是表示通過本發(fā)明的實(shí)施例及比較例得到的電池在干燥條件下的發(fā)電性能的圖表；
[0024]圖14是表示通過本發(fā)明的實(shí)施例得到的電池單元在濕潤(rùn)條件下的極限電流密度的圖表。
[0025]符號(hào)說明
[0026]
【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； 微細(xì)多孔質(zhì)層，其含有粒狀碳材料及鱗片狀石墨，并形成于所述氣體擴(kuò)散層基材上， 在所述微細(xì)多孔質(zhì)層上，被所述鱗片狀石墨濃化的區(qū)域形成為與氣體擴(kuò)散層基材的接合面大致平行的帶狀。
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， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層的與所述接合面相反側(cè)的面和構(gòu)成膜電極接合體的催化劑層接觸，所述微細(xì)多孔質(zhì)層中的鱗片狀石墨的含量為，微細(xì)多孔質(zhì)層與催化劑層的接觸面的一方比所述微細(xì)多孔質(zhì)層與氣體擴(kuò)散層基材的接合面的一方多。
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， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層中的鱗片狀石墨的含量為，在所述微細(xì)多孔質(zhì)層和氣體擴(kuò)散層基材的層疊方向，從所述微細(xì)多孔質(zhì)層與催化劑層的接觸面向所述微細(xì)多孔質(zhì)層與氣體擴(kuò)散層基材的接合面逐漸降低。
4.如權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層具備含有所述粒狀碳材料的第一微細(xì)多孔質(zhì)層和含有所述鱗片狀石墨的第二微細(xì)多孔質(zhì)層。
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， 所述微細(xì)多孔質(zhì)層的與所述接合面的相反側(cè)的面和構(gòu)成膜電極接合體的催化劑層接觸， 所述第一微細(xì)多孔質(zhì)層位于氣體擴(kuò)散層基材的一側(cè)，所述第二微細(xì)多孔質(zhì)層位于比所述第一微細(xì)多孔質(zhì)層更靠催化劑層的一側(cè)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層,其特征在于， 所述第二微細(xì)多孔質(zhì)層的厚度為10 μ m以下。
7.如權(quán)利要求4?6中任一項(xiàng)所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述第二微細(xì)多孔質(zhì)層含有粘合劑、鱗片狀石墨、碳黑及粒狀石墨的至少任一種。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述鱗片狀石墨具有:具備5 μ m?50 μ m的平均平面直徑的大徑的鱗片狀石墨和具備不足5 μ m的平均平面直徑的小徑的鱗片狀石墨。
9.如權(quán)利要求4?8中任一項(xiàng)所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于， 所述第一微細(xì)多孔質(zhì)層的厚度為10 μ m?100 μ m。
10.一種燃料電池用膜電極接合體，其特征在于， 將權(quán)利要求1?9中任一項(xiàng)所述的燃料電池用氣體擴(kuò)散層經(jīng)由催化劑層層疊于電解質(zhì)膜的兩面而形成。
【文檔編號(hào)】H01M8/10GK103563143SQ201280024509
【公開日】2014年2月5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