气体扩散层的制作方法

本发明涉及使用于燃料电池的气体扩散层。

背景技术：

燃料电池通过层叠多个燃料单电池而构成，通过被供给的氧化气体与燃料气体的电化学反应而进行发电。作为燃料单电池，例如如下述专利文献1记载的那样，公知有具备具有电解质膜、一对电极和一对气体扩散层的膜电极气体扩散层接合体、以及使用了金属网的一对隔板的燃料单电池。在具有这样的构造的燃料单电池中，作为设置于隔板的流体流路，使用金属网，由此能够在一定程度确保气体扩散性，因此能够实现气体扩散层的轻薄化。

专利文献1：日本特开2017－130364号公报

但是，在上述的燃料单电池中，在将使用了金属网的隔板置换成具有槽状的流体流路的隔板的情况下，存在由于气体扩散层较薄，所以气体扩散层与隔板的接触变差，从而气体扩散层与隔板的接触阻力增加的问题。为了解决该问题，设想采用使气体扩散层增厚的对策，但气体扩散性因使气体扩散层增厚而降低，从而产生导致燃料单电池的发电性能降低的新问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决这样的技术课题而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制与隔板的接触阻力的增加，并且能够防止气体扩散性的降低的气体扩散层。

本发明的气体扩散层配置为与具有槽状的流体流路的隔板接触，该气体扩散层的特征在于，具备细孔径与厚度的比率为0.35以上的扩散层基材。

根据本发明的气体扩散层，具备细孔径与厚度的比率为0.35以上的扩散层基材，因此能够确保气体扩散层的厚度，并且增大细孔径。因此，能够抑制气体扩散层与隔板的接触阻力的增加，并且能够防止气体扩散性的降低。

在本发明的气体扩散层中，优选上述扩散层基材具有导电性碳纤维材，上述导电性碳纤维材的含有率为30％以上。这样一来，能够确保扩散层基材的强度。

在本发明的气体扩散层中，优选上述导电性碳纤维材为碳纤维。这样一来，利用碳纤维的优越的机械式特性和导电性，从而能够提高扩散层基材的强度，并且抑制与隔板的接触阻力的增加。

根据本发明，能够抑制与隔板的接触阻力的增加，并且能够防止气体扩散性的降低。

附图说明

图1是表示具备了实施方式的气体扩散层的燃料电池的主要部分的示意剖视图。

图2是表示实施方式的气体扩散层的构造的示意剖视图。

图3是表示扩散层基材的细孔径与厚度的比率和单电池电压的关系的图。

图4是表示扩散层基材的法线透气度与面内透气度的比率和单电池电压的关系的图。

图5是表示扩散层基材的碳纤维的比例、气体扩散层弯曲弹性模量、和法线透气度与面内透气度的比率的关系的图。

附图标记的说明

1…燃料单电池；2…mega(膜电极气体扩散层接合体)；3…隔板；4…mea(膜电极接合体)；6…电极；7…气体扩散层；71…扩散层基材；72…防水层。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的气体扩散层的实施方式进行说明，但在此之前，基于图1，对具备了气体扩散层的燃料电池的构造简单地进行说明。

图1是表示具备了实施方式的气体扩散层的燃料电池的主要部分的示意剖视图。如图1所示，在燃料电池10层叠有多个作为基本单位的燃料单电池1。燃料单电池1是凭借氧化气体(例如空气)与燃料气体(例如氢气)的电化学反应而产生电动势的固体高分子型燃料电池。该燃料单电池1具备mega(膜电极气体扩散层接合体membraneelectrode&gasdiffusionlayerassembly)2与夹持mega2的一对隔板3、3。

mega2通过将mea(膜电极接合体membraneelectrodeassembly)4与配置于mea4的两面的气体扩散层7、7一体化而成。mea4由电解质膜5与接合为夹持电解质膜5的一对电极6、6构成。电解质膜5由固体高分子材料所形成的质子传导性的离子交换膜构成。电极6例如由载持了铂等的催化剂的例如多孔的碳原料形成。配置于电解质膜5的一侧的电极6成为阳极电极，另一侧的电极6成为阴极电极。气体扩散层7是用于将氧化气体或者燃料气体相对于电极6均匀地供给的构造，其详情说明后述。

mega2构成燃料电池10的发电部，隔板3配置为与mega2的气体扩散层7接触。隔板3通过使凹部3a与凸部3b交替地反复而形成为波形。凹部3a的底部呈平面状，与mega2的气体扩散层7面接触。另一方面，凸部3b的顶部也呈平面状，与邻接的隔板3的凸部3b的顶部面接触。

如图1所示，一对气体扩散层7、7中的一方的气体扩散层7与同其邻接的隔板3的凸部3b一同，对供燃料气体流通的槽状的燃料气体流路21进行划分。另一方的气体扩散层7与同其邻接的隔板3的凸部3b一同，对供氧化气体流通的槽状的氧化气体流路22进行划分。而且，燃料气体流路21与氧化气体流路22分别相当于权利要求书中记载的“流体流路”。

燃料单电池1彼此在使某燃料单电池1的阳极电极6与同其邻接的其他的燃料单电池1的阴极电极6相向的状态下被层叠。由此，在邻接的隔板3的槽状的凹部3a彼此之间形成有空间23。该空间23成为供制冷剂流通的制冷剂流路，相当于权利要求书中记载的“流体流路”。

图2是表示实施方式的气体扩散层的构造的示意剖视图。如图2所示，气体扩散层7具备具有导电性和气体扩散性的多孔的扩散层基材71、及设置于该扩散层基材71的表面的防水层72。扩散层基材71例如由导电性碳纤维材和热塑性树脂等形成为板状。作为导电性碳纤维材，能够列举碳纤维、碳纸、碳布等。在本实施方式中，作为导电性碳纤维材，使用碳纤维。此外，碳纤维可以是pan基碳纤维，也可以是沥青基碳纤维。

防水层72例如由碳黑等导电性粒子、聚四氟乙烯(ptfe)等高分子和氧化铈等添加物形成。这样构成的气体扩散层7配置为扩散层基材71朝向隔板3侧，防水层72朝向电极6侧。

在本实施方式中，扩散层基材71的细孔径与厚度的比率(细孔径/厚度)为0.35以上。另外，扩散层基材71的法线透气度与面内透气度的比率(法线透气度/面内透气度)设定为45(单位：×10⁶m^－2)以上。另外，扩散层基材71的碳纤维的含有率设定为30％以上。以下，参照图3～图5，对各自的设定依据进行说明。

图3是表示扩散层基材的细孔径与厚度的比率和单电池电压的关系的图。如图3所示，以往，若将使用了金属网的隔板应用于具有槽状的流体流路的隔板，则扩散层基材的厚度增厚，因此细孔径与厚度的比率减少，从而导致单电池电压(即，燃料单电池的发电性能)降低。另一方面，在细孔径与厚度的比率为0.35以上的本发明中，即使假设将使用了金属网的隔板应用于具有槽状的流体流路的隔板而使扩散层基材的厚度增厚，也能够较高地维持单电池电压，因此能够提高燃料单电池的发电性能。

图4是表示扩散层基材的法线透气度与面内透气度的比率和单电池电压的关系的图。这里，法线透气度是扩散层基材的厚度方向的透气度，面内透气度是扩散层基材的平面方向的透气度。

如图4所示，以往，若将使用了金属网的隔板应用于具有槽状的流体流路的隔板，则伴随着细孔径与厚度的比率的减少，法线透气度与面内透气度的比率减少，从而导致燃料单电池的发电性能降低。另一方面，在法线透气度与面内透气度的比率为45(单位：×10⁶m^－2)以上的本发明中，即使假设将使用了金属网的隔板应用于具有槽状的流体流路的隔板而使扩散层基材的厚度增厚，也能够提高燃料单电池的发电性能。

此外，在扩散层基材的细孔径与厚度的比率为0.35以上，扩散层基材的法线透气度与面内透气度的比率为45(单位：×10⁶m^－2)以上的情况下，担心气体扩散层的机械式强度降低。与此相对，通过调整扩散层基材的碳纤维的比例(即，碳纤维的含有率)，能够防止气体扩散层的机械式强度的降低。

即，如图5所示，在扩散层基材的碳纤维的含有率为30％以上的情况下，气体扩散层的弯曲弹性模量降低，因此能够确保气体扩散层的机械式强度。这里，优选扩散层基材的碳纤维的含有率的范围为30％～50％(参照图5的矩形包围的区域)。这样一来，能够确保气体扩散层的机械式强度，并且确保燃料单电池的发电性能的提高。

根据本实施方式的气体扩散层7，具备细孔径与厚度的比率为0.35以上的扩散层基材71，因此能够确保气体扩散层7的厚度，并且增大细孔径。因此，能够抑制气体扩散层7与隔板3的接触阻力的增加，并且能够防止气体扩散性的降低。此外，扩散层基材71的法线透气度与面内透气度的比率为45(单位：×10⁶m^－2)以上，因此即使扩散层基材71的厚度增厚，也能够提高燃料单电池1的发电性能。另外，碳纤维的含有率为30％以上，因此能够确保扩散层基材71的强度，换言之，能够确保气体扩散层7的强度。

另外，导电性碳纤维材使用碳纤维，由此通过利用碳纤维的优越的机械式特性(例如比强度、比弹性模量)和导电性，能够提高扩散层基材71的强度，并且进一步抑制与隔板3的接触阻力的增加。

以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明不限定于上述的实施方式，能够在不脱离权利要求书记载的本发明的主旨的范围内进行各种设计变更。