燃料电池用气体扩散层的制作方法
【专利摘要】本发明的燃料电池用气体扩散层（30）具备：气体扩散层基材（31）、含有粒状碳材料及鳞片状石墨且形成于气体扩散层基材（31）上的微细多孔质层（32）。而且，在微细多孔质层（32）上，被鳞片状石墨浓化的区域（32a）形成为与气体扩散层基材（31）的接合面（31a）大致平行的带状。由此，通常能够兼得处于折衷关系的气体扩散层的耐烧干性和耐注满性，从而能够提高固体高分子燃料电池的性能。
【专利说明】燃料电池用气体扩散层
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有微细多孔质层且用于固体高分子燃料电池(PEFC)的气体扩散层及具备上述气体扩散层的燃料电池用膜电极接合体。
【背景技术】
[0002]与例如固体氧化物燃料电池或熔化碳酸盐燃料电池等其它类型的燃料电池相比，使用质子传导率的固体高分子电解质膜的固体高分子燃料电池在低温下动作。因此，也期待固体高分子燃料电池作为汽车等移动体用的动力源，也开始其的实用化。
[0003]于是，用于固体高分子燃料电池的气体扩散电极具备由与高分子电解质膜同种类或不同种类的离子交换树脂(高分子电解质)覆盖的含有担载催化剂的碳微粒子的电极催化剂层。另外，气体扩散电极具备向该催化剂层供给反应气体并且对在催化剂层产生的电荷进行集电的气体扩散层。而且，通过将这种气体扩散电极的催化剂层侧与高分子电解质膜接合，形成膜电极接合体。另外，通过将多个上述膜电极接合体经由具备气体流路的隔板层叠，构成固体高分子燃料电池。
[0004]作为这种固体高分子燃料电池用的气体扩散电极，例如专利文献I中记载有如下的内容，即、在由碳纸构成的基材上形成防水层，且在防水层和电极催化剂层之间进一步形成保水层。另外，该防水层含有聚四氟乙烯(注册商标)及碳黑，保水层由碳黑、结晶碳纤维(VGCF)及离聚物构成。
[0005]专利文献1:专利第3778506号说明书
[0006]在固体高分子燃料电池中，为了电解质膜中的质子传导而需要水，将由于该水的不足而不能继续发电的现象成为烧干(dry-out)。作为提高对这种烧干的耐性的方法，考虑使用能够使在阴极产生的生成水快速返回到阳极的电解质膜，或降低来自膜电极接合体内的水的排出。但是，后者的方法一般成为与下述的耐注满性折衷的关系。
[0007]另一方面，虽然在阴极产生生成水，但该生成水滞留于催化剂层、气体扩散层及隔板等，由此，氧在阴极催化剂层难以扩散而不能继续发电，将该现象称为注满(flooding)。作为提高对该注满的耐性的方法，考虑使用能够使在阴极产生的生成水快速返回到阳极的电解质膜，或增加来自膜电极接合体内的水的排出。但是，后者的方法一般成为与上述耐烧干性折衷的关系。
[0008]对于这样的课题，在专利文献I所公开的技术中，通过设置含有亲水性的离聚物的中间层(保水层)，提高耐烧干性。但是，在专利文献I的燃料电池中，若为lA/cm2程度的电流密度，则没有问题，但若为例如2A/cm2程度的高电流密度，则避免不了因注满引起的性能下降。
【发明内容】
[0009]本发明是鉴于这种目前技术具有的课题而创立的。于是，其目的在于，提供一种气体扩散层，其通常能够兼得处于折衷关系的气体扩散层的耐烧干性和耐注满性，并有助于提高固体高分子燃料电池的性能。还提供一种使用了这种气体扩散层燃料电池用膜电极接合体。
[0010]本发明的燃料电池用气体扩散层具备气体扩散层基材和含有粒状碳材料及鳞片状石墨且形成于气体扩散层基材上的微细多孔质层。而且，在微细多孔质层上，被鳞片状石墨浓化的区域形成为与气体扩散层基材的接合面大致平行的带状。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1表示使用本发明一实施方式的气体扩散层构成的膜电极接合体的概略剖面图；
[0012]图2是表示使用本发明的其它实施方式的气体扩散层构成的膜电极接合体的概略剖面图；
[0013]图3是表示构成上述气体扩散层中的微细多孔质层的第二微细多孔质层所包含的鳞片状石墨的形状的概略图，Ca)是鳞片状石墨的平面图，(b)是鳞片状石墨的侧面图；
[0014]图4是表示构成上述气体扩散层中的微细多孔质层的第一微细多孔质层所包含的粒状石墨的形状的概略图，(a)是粒状石墨的平面图，(b)是粒状石墨的侧面图；
[0015]图5是表示使用本发明的其它实施方式的气体扩散层构成的膜电极接合体的概略剖面图；
[0016]图6是表示作为构成上述气体扩散层中的微细多孔质层的第二微细多孔质层的一例而使用了大径的鳞片状石墨及碳黑的例子的概略剖面图；
[0017]图7是表示在上述第二微细多孔质层中使用了鳞片状石墨及小径的鳞片状石墨的例子的概略剖面图；
[0018]图8是表示在上述第二微细多孔质层中使用了鳞片状石墨、碳黑及粒状石墨的例子的概略剖面图；
[0019]图9是表示在上述第二微细多孔质层中使用了鳞片状石墨、小径的鳞片状石墨及粒状石墨的例子的概略剖面图；
[0020]图10是表示作为构成上述气体扩散层中的微细多孔质层的第一微细多孔质层的一例而使用了由碳黑构成的粒状碳材料的例子的概略剖面图；
[0021]图11是表示在上述第一微细多孔质层中使用了由碳黑和粒状石墨构成的粒状碳材料的例子的概略剖面图；
[0022]图12是表示通过本发明的实施例及比较例得到的气体扩散层的电阻的图表；
[0023]图13是表示通过本发明的实施例及比较例得到的电池在干燥条件下的发电性能的图表；
[0024]图14是表示通过本发明的实施例得到的电池单元在湿润条件下的极限电流密度的图表。
[0025]符号说明
[0026]
【权利要求】
1.一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，具备: 气体扩散层基材； 微细多孔质层，其含有粒状碳材料及鳞片状石墨，并形成于所述气体扩散层基材上， 在所述微细多孔质层上，被所述鳞片状石墨浓化的区域形成为与气体扩散层基材的接合面大致平行的带状。
2.如权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述微细多孔质层的与所述接合面相反侧的面和构成膜电极接合体的催化剂层接触，所述微细多孔质层中的鳞片状石墨的含量为，微细多孔质层与催化剂层的接触面的一方比所述微细多孔质层与气体扩散层基材的接合面的一方多。
3.如权利要求2所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述微细多孔质层中的鳞片状石墨的含量为，在所述微细多孔质层和气体扩散层基材的层叠方向，从所述微细多孔质层与催化剂层的接触面向所述微细多孔质层与气体扩散层基材的接合面逐渐降低。
4.如权利要求1?3中任一项所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述微细多孔质层具备含有所述粒状碳材料的第一微细多孔质层和含有所述鳞片状石墨的第二微细多孔质层。
5.如权利要求4所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述微细多孔质层的与所述接合面的相反侧的面和构成膜电极接合体的催化剂层接触， 所述第一微细多孔质层位于气体扩散层基材的一侧，所述第二微细多孔质层位于比所述第一微细多孔质层更靠催化剂层的一侧。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池用气体扩散层,其特征在于， 所述第二微细多孔质层的厚度为10 μ m以下。
7.如权利要求4?6中任一项所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述第二微细多孔质层含有粘合剂、鳞片状石墨、碳黑及粒状石墨的至少任一种。
8.如权利要求7所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述鳞片状石墨具有:具备5 μ m?50 μ m的平均平面直径的大径的鳞片状石墨和具备不足5 μ m的平均平面直径的小径的鳞片状石墨。
9.如权利要求4?8中任一项所述的燃料电池用气体扩散层，其特征在于， 所述第一微细多孔质层的厚度为10 μ m?100 μ m。
10.一种燃料电池用膜电极接合体，其特征在于， 将权利要求1?9中任一项所述的燃料电池用气体扩散层经由催化剂层层叠于电解质膜的两面而形成。
【文档编号】H01M8/10GK103563143SQ201280024509
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】奥山阳三, 桑田茂昌, 儿玉一史 申请人:日产自动车株式会社