扩散层形成用糊料及其制造方法和气体扩散层的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扩散层形成用糊料及其制造方法和气体扩散层(GDL)的制造方法。
【背景技术】
[0002]⑶L夹住并保持膜电极组件(MEA)以形成作为燃料电池的核心构件的膜-电极和气体扩散层组件(MEGA)。通过将糊料施涂在扩散层基材上并且随后进行热处理而形成GDL。用于制造GDL的糊料含有用于赋予GDL更好导电性的导电碳粒子，通过利用表面活性剂将所述粒子分散在溶剂中。在施涂糊料后的热处理期间需要将表面活性剂分解并且与溶剂一起清除。已经提出了用于减少加热时长的多种方法(参见例如日本专利申请公开号2011-258395 (JP 2011-258395 A))。
[0003]GDL需要具有导电性，将气体扩散并供给至MEA中的负极和正极的电极催化剂层的能力，和为了维持MEGA形状而对电极催化剂层的粘结能力。GDL由于借助于表面活性剂分散在糊料中的碳而具有导电性。GDL由于在施涂糊料后的热处理期间未被分解或清除的在扩散层中的残余表面活性剂而具有斥水性和粘结能力。斥水性和粘结能力受表面活性剂的残余量的影响。在施涂后从糊料中表面活性剂的分解和清除状况通常由加热状况所规定，所述加热状况由加热温度与表面活性剂的分解温度之间的温差和加热时长所规定，且当所述差值增大时会促进表面活性剂的分解和清除。因此通过增大温差也可以减少加热时长。然而，如下文所述，非常多的情况是，并不是在所有的情况下都可以实现温差的增大。
[0004]当表面活性剂的残余量高时GDL可能会具有降低的斥水性，但在没有一定量的残余表面活性剂的情况下GDL不具有粘结能力。因此，考虑到具有斥水性，期望降低表面活性剂的残余量，而考虑到具有粘结能力，期望避免降低表面活性剂的残余量。即，为了具有斥水性，需要增大温差，而为了具有粘结能力，需要不过度地增大温差。
[0005]在施涂后从糊料中表面活性剂的分解和清除状况不仅受由温差和加热时长所规定的加热状况的影响，而且还受所谓的GDL规格如施涂的糊料的厚度的影响。GDL规格如施涂的糊料的厚度允许具有满足GDL或MEGA制品规格的一定的制造容差。因此在对GDL进行加热时，需要将GDL的温差和加热时长限定在制造容差内，使得获得其中表面活性剂的残余量给予GDL令人满意的斥水性和粘结能力两者的加热状况(下文中称为“适当残余量”)。然而，因为温差的增大促进表面活性剂的分解和清除且因此减少加热时长，所以提供表面活性剂的适当残余量的适用条件范围可能是窄的。因此不可能在所有情况下都实现加热温度的增加，且有通过增加加热温度来减少加热时长的改善余地。还需要使GDL的制造设备小型化并且需要降低制造成本。
【发明内容】
[0006]本发明的第一方面涉及扩散层形成用糊料，所述糊料用于形成燃料电池用GDL。扩散层形成用糊料含有溶剂；分散在溶剂中的导电粒子；第一表面活性剂，所述第一表面活性剂分散在所述溶剂中并且具有第一分解温度，其中在所述第一分解温度下所述第一表面活性剂分解；和第二表面活性剂，所述第二表面活性剂分散在所述溶剂中并且具有第二分解温度，其中在所述第二分解温度下所述第二表面活性剂分解。第二分解温度低于第一分解温度。基于重量，扩散层形成用糊料含有比第二表面活性剂更少量的第一表面活性剂。当将扩散层形成用糊料施涂在扩散层基材上并且与扩散层基材一起进行热处理时，加热温度比第一表面活性剂的第一分解温度高，因此加热温度与第二表面活性剂的第二分解温度之间的温差增大。通过这种热处理，将第一和第二表面活性剂两者都分解和清除。如果糊料仅含有具有低分解温度的第二表面活性剂，则当加热温度与第二表面活性剂的第二分解温度之间的温差高时，提供导致表面活性剂的适当残余量的加热状况的适用条件范围是窄的。然而，扩散层形成用糊料含有具有高分解温度的第一表面活性剂。当仅含有第二表面活性剂的扩散层形成用糊料的热处理和含有第一和第二表面活性剂两者的扩散层形成用糊料的热处理在相同加热温度下的情况揭示，即使在应用仅含有第二表面活性剂的糊料的热处理的适用范围内的条件下，除第二表面活性剂外也还残留第一表面活性剂，且因此对于后面的情况而言，因为加热温度与第一分解温度之间的温差比加热温度与第二分解温度之间的温差小，所以表面活性剂的总残余量增大。因此，因为除第二表面活性剂之外还残留第一表面活性剂，所以可以扩大含有第二表面活性剂的糊料的适用条件范围，且因此由于确保的表面活性剂的残余量而导致GDL可以具有粘结能力。此外，扩散层形成用糊料以其中第一表面活性剂的重量较小的重量比含有第一表面活性剂，由此防止第一表面活性剂的残余量过多，且由此GDL可以具有斥水性。结果，扩散层形成用糊料通过增加在GDL形成期间的加热温度而允许减少加热时长，且因此允许减少形成GDL所需要的时间和减少成本。加热时长的减少可以有助于在加热炉中的移动距离减少，含有施涂在其上的糊料的扩散层基材在所述加热炉中移动，且因此扩散层形成用糊料还允许加热炉设备的小型化和设备成本的减少。
[0007]在扩散层形成用糊料中，随着第一分解温度与第二分解温度之间的差值增大，第一表面活性剂与第二表面活性剂之间的重量比可能会降低。这给予第一和第二表面活性剂以及它们的组合增多的选择，同时，由于与仅含有第二表面活性剂的糊料相比有确保的表面活性剂残余量而使GDL具有粘结能力，且由于防止第一表面活性剂的过量残留而使GDL具有斥水性。
[0008]第一表面活性剂和第二表面活性剂可以使得第一分解温度与第二分解温度之间的差值为20°C?50°C。这给予第一和第二表面活性剂以及它们的组合增多的选择。
[0009]第一分解温度与第二分解温度之间的差值可以为30°C?40°C且第一表面活性剂与第二表面活性剂之间的重量比可以为1:6?1:8。因此，与仅含有第二表面活性剂的糊料相比，可以确保表面活性剂的残余量，且还可以确保抑制第一表面活性剂的过量残留，且由此可以高度有效地确保GDL的斥水性和粘结能力。
[0010]本发明的第二方面涉及用于制造扩散层形成用糊料的方法，所述糊料用于形成燃料电池用GDL。所述制造方法包括:制备具有第一分解温度的第一表面活性剂和具有第二分解温度的第二表面活性剂的制备步骤，其中在所述第一分解温度下所述第一表面活性剂分解，在所述第二分解温度下所述第二表面活性剂分解；和将导电粒子、第一表面活性剂和第二表面活性剂分散在溶剂中的分散步骤。第二分解温度低于第一分解温度。在所述制备步骤中，基于重量，第一表面活性剂的量低于第二表面活性剂的量。根据用于制造扩散层形成用糊料的方法，可以容易地制备如下的扩散层形成用糊料，其允许制备具有由于确保的表面活性剂残余量导致的粘结能力和由于第一表面活性剂过量残留的抑制导致的斥水性两者的GDL。随着第一分解温度与第二分解温度之间的差值增大，第一表面活性剂的量可能会降低。
[0011]本发明的第三方面涉及用于制造燃料电池用GDL的方法。所述制造方法包括:将扩散层形成用糊料施涂在扩散层基材上的施涂步骤，这种糊料含有全都分散在溶剂中的导电粒子、具有第一分解温度的第一表面活性剂和具有低于第一分解温度的第二分解温度的第二表面活性剂；和对已经施涂有糊料的扩散层基材进行热处理的干燥步骤。在施涂步骤中，将基于重量包含比第二表面活性剂更少量的第一表面活性剂的糊料施涂在扩散层基材上。第一表面活性剂在第一分解温度下分解且第二表面活性剂在第二分解温度下分解。
[0012]根据用于制造⑶L的方法，可以容易地获得能够具有粘结能力和斥水性的⑶L。随着第一分解温度与第二分解温度之间的差值增大，可以降低第一表面活性剂的重量。
[0013]本发明可以以各种方式实施，如含有利用扩散层形成用糊料形成的GDL的燃料电池和燃料电池的制造方法。
【附图说明】
[0014]下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术及工业意义进行说明，其中相同的数字表示相同的元件，且其中:
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