碳片材和其制造方法、气体扩散电极以及燃料电池与流程

本发明涉及碳片材和其制造方法、气体扩散电极以及燃料电池。

背景技术：

1、固体高分子型燃料电池通过向阳极供给包含氢气的燃料气体，向阴极供给包含氧气的氧化气体，通过在两个电极发生的电化学反应获得电动势。固体高分子型燃料电池一般而言，按顺序层叠隔离膜、气体扩散电极、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极、隔离膜而构成。对于气体扩散电极，需要用于将从隔离膜供给的气体向催化剂层扩散的高气体扩散性、用于将伴随电化学反应生成的水向隔离膜排出的高排水性和用于提取产生的电流的高导电性。因此，广泛使用利用包含碳纤维的导电性多孔质基材、且在其表面形成微多孔层的气体扩散电极。

2、为了从气体扩散电极高效率地向催化剂层供给燃料气体(阳极侧：氢气、阴极侧：大气、氧气)，需要通过设置于与气体扩散电极相邻的隔离膜上的气体流路使燃料气体传递至面整体。此外，为了使从隔离膜到达气体扩散电极的燃料气体在气体扩散电极内高效率地扩散，对气体扩散电极的结构也进行了各种各样的提案。

3、例如，提出了构成气体扩散电极的碳片材具有纤维取向的气体扩散电极(专利文献1)。

4、此外，提出了层叠2～8张具有纤维取向的碳片材的气体扩散电极(专利文献2)。

5、此外，提出了层叠纤维取向强的碳片材和纤维取向弱的碳片材的气体扩散电极(专利文献3)。

6、此外，提出了在单层的厚度方向上具有纤维取向的梯度的气体扩散电极(专利文献4)。

7、现有技术文献

8、专利文献

9、专利文献1：日本特开2006-222024号公报

10、专利文献2：美国专利申请公开第2017/0301923号公报

11、专利文献3：日本特开2013-191435号公报

12、专利文献4：韩国公开专利第2016-0120060号公报

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、然而，专利文献1所述的发明中，在碳片材整体上纤维强取向，在取向方向上具有强度，但与纤维的取向方向正交的方向强度弱，有在运输时、加工时容易发生破裂、撕裂的问题。此外，在碳片材整体纤维强取向的情况下，纤维的取向方向的弯曲刚性变强，以相对于设置在隔离膜表面上的气体流路纤维取向大致垂直的方式配置，由此能够抑制碳片材向气体流路的塌陷，期望具有抑制供给燃料气体时的压力损失的效果，但另一方面，碳片材中的树脂碳化物的分布偏重于纤维方向，由此存在碳片材的厚度方向(垂直于面的方向)的电阻恶化的问题。

3、专利文献2和专利文献3所述的发明中，层叠2层以上的碳片材，因此在发电时发生层间剥离，有因接点破坏而导致的电阻的恶化、剥离部位处的溢流而导致的发电性能的恶化的问题。此外，由于在制造多张碳片材后层叠，因加工步骤增加而导致生产率的恶化成为问题。

4、专利文献4所述的发明中，单层内具有厚度方向(垂直于面的方向)的纤维取向的梯度，但纤维强取向的区域中不存在厚度，因此有无法充分发挥碳片材向气体流路的塌陷抑制的问题。

5、本发明的目的在于，鉴于现有技术中的课题，提供制成气体扩散电极时垂直于面的方向的电阻不恶化、且能够防止向在隔离膜上施加的气体流路的塌陷的碳片材；以及提供包含该碳片材的气体扩散电极、和包含该气体扩散电极的燃料电池。

6、用于解决课题的手段

7、为了解决上述课题，本发明具有以下的构成。即，

8、本发明的碳片材具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将前述区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中具有与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差为±0.10以内的纤维取向度的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10。

9、(在此，从碳片材的一个表面向另一个表面以每3.9μm测定面的填充率，接着求出所得面的填充率的平均值，50％填充率是所得平均值的50％的值。进一步，层的填充率是使用形成层的面的填充率得到的平均值。)

10、发明效果

11、根据本发明，能够提供适用于气体扩散电极的碳片材，所述气体扩散电极能够使垂直于面的方向的电阻不恶化、且能够防止向设置于隔离膜的气体流路塌陷，这在以往是困难的。

技术特征：

1.碳片材，其具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将前述区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中具有与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差为±0.10以内的纤维取向度的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10，

2.根据权利要求1所述的碳片材，其中，第1表面侧的最表面层的纤维取向角与第2表面侧的最表面层的纤维取向角之差为45°以内。

3.根据权利要求1或2所述的碳片材，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将前述区间在厚度方向上进行2等分而设为2个多层体时，将第1表面侧的多层体记作多层体x，将第2表面侧的多层体记作多层体y时，多层体y的填充率低于多层体x的填充率。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的碳片材，其包含碳纤维抄纸体和粘结材料。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的碳片材，其中，第2表面侧区域的平均取向度为1.20以下。

6.气体扩散电极，其在权利要求1～5中任一项所述的碳片材的第2表面侧具有微多孔层。

7.燃料电池，其包含权利要求6所述的气体扩散电极作为构成要素，按顺序层叠有隔离膜、气体扩散电极、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极、隔离膜。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，以碳片材的第1表面的纤维取向方向与配置于前述隔离膜侧时在前述隔离膜中设置的气体流路的方向近似垂直的方式配置而得到。

9.碳片材的制造方法，其包括：使碳纤维束在液体中均匀分散而得到浆料的分散步骤；和使用至少具有在连续地层叠碳纤维的同时在厚度方向上能够进行取向控制的机构的抄纸机，对包含碳纤维的浆料进行抄纸的抄纸步骤。

10.碳片材的制造方法，其包括：对通过权利要求9所述的碳片材的制造方法得到的碳片材赋予树脂的树脂浸渗步骤；通过加热和加压调节厚度的加热加压步骤；和使赋予了树脂的碳片材碳化的煅烧步骤。

技术总结
本发明提供适用于气体扩散电极的碳片材，所述气体扩散电极能够防止向设置在隔离膜上的气体流路塌陷，且不使垂直于面的方向的电阻恶化。实现上述目的的本发明的碳片材具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，将特定的区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中满足特定的条件的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体的厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10。

技术研发人员：渡边忠敬,岨手胜也,龟田俊辅,若田部道生
受保护的技术使用者：东丽株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16