CN110050371A - 包括多孔碳质薄膜层的燃料电池用气体扩散层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池用气体扩散层及包括其的膜电极组件以及包括该膜电极组件的燃料电池，所述燃料电池用气体扩散层包括多孔碳质薄膜层，所述多孔碳质薄膜层的气孔的平均直径为0.1～100μm。

Description

包括多孔碳质薄膜层的燃料电池用气体扩散层
技术领域
本发明涉及燃料电池用气体扩散层、包括其的膜电极组件及包括该膜电极组件的燃料电池，所述燃料电池用气体扩散层包括多孔碳质薄膜层。
本申请要求2016年9月27日向韩国专利局提交的韩国专利申请第10-2016-0124179号的申请日的权益，其全部内容包含在本说明书中。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是将由燃料的氧化生成的化学能量直接转换为电能量的电池，近来，为了克服化石燃料的枯竭问题、由二氧化碳的生成引起的温室效应和全球变暖等问题，与太阳能电池等一同进行许多研究。
燃料电池通常利用氢和氧的氧化、还原反应而将化学能量转换为电能量。在负极(anode)中，氢被氧化而分离为氢离子和电子，氢离子通过电解质(electrolyte)移动到正极(cathode)。此时，电子通过回路移动到正极。在正极中，氢离子、电子及氧进行反应，从而进行生成水的还原反应。
燃料电池的气体扩散层使通过外部或燃料电池的单位电池之间所夹杂的隔膜(separator)流入的反应气体(氢、氧等)流入到发生电化学反应的催化剂层，并起到排出电化学反应所产生的冷凝水的作用。
若燃料电池的气体扩散层未能使反应气体顺利地流入，则反应浓度会降低，从而导致发电电压降低。
此外，若燃料电池的气体扩散层未能顺利地排出电化学反应所产生的冷凝水，则反应浓度也会降低，从而导致发电电压降低。
另外，若燃料电池的气体扩散层未能顺利地排出所产生的热，则会使电解质通过的电解质分离膜干燥，从而导致离子电导率降低而增加电阻损失，因此也会导致发电电压降低。
因此，就现有的燃料电池的气体扩散层而言，在提高气孔率以促进反应气体的流入及促进冷凝水的排出时，会导致电解质分离膜的干燥而不能顺利地排出电化学反应所产生的热，因此具有如下局限性，即无法将气孔率提高到一定水平以上，并且导电率低而无法增加发电效率。
此外，就现有的燃料电池的气体扩散层而言，为了保持电解质分离膜的湿润状态，通过涂覆微细碳粒子来将高分子薄膜的气孔调节为微细的尺寸，但是这种电解质分离膜的气孔分布不均匀，导致反应气体不能顺利地流入，因此具有降低发电效率的问题，并且由于多层层叠结构而具有厚度调节等难点。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于提供燃料电池用气体扩散层、包括其的膜电极组件及包括该膜电极组件的燃料电池，所述燃料电池用气体扩散层具有均匀的气孔分布及高气孔率，并且传热及导电效率突出，从而显示出优异的发电效率。
技术方案
本发明提供燃料电池用气体扩散层，其包括多孔碳质薄膜层，所述多孔碳质薄膜层的气孔的平均直径为0.1～100μm。
此外，本发明提供燃料电池用膜电极组件，其包括：电解质分离膜；以及位于互相相对的位置的负极电极和正极电极，所述电解质分离膜在所述负极电极和正极电极之间，所述负极电极和正极电极包括所述燃料电池用气体扩散层和催化剂层。
此外，本发明提供燃料电池，其包括：堆叠体(stack)，其包括一个或两个以上的所述膜电极组件和夹杂在所述膜电极组件之间的隔膜；将燃料供应到所述堆叠体的燃料供应部；以及将氧化剂供应到所述发电部的氧化剂供应部。
有益效果
本发明的气体扩散层具有高气孔率及均匀的气孔分布，从而促进反应气体的流入及促进冷凝水的排出，并且传热及导电效率优异，从而抑制电解质分离膜的干燥，因此包括其的膜电极组件及燃料电池显示出优异的发电效率。
附图说明
图1示出在电池温度保持为70℃且50％的低加湿条件下，对实施例3-3～7-3及比较例1-3的燃料电池测量基于电流的功率密度的结果。
具体实施方式
以下，对本发明的燃料电池用气体扩散层进行说明。
本发明的燃料电池用气体扩散层包括多孔碳质薄膜层。
本发明的碳质薄膜层的气孔的平均直径为0.1～100μm。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率为10～90％，优选为50～90％，更优选为70～90％。当所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率小于10％时，因未能顺利地排出电化学反应所产生的冷凝水，反应浓度也会降低而导致发电电压降低，当所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率超过90％时，会导致电解质分离膜的干燥，从而未能顺利地排出电化学反应所产生的热而降低导电率。
本说明书中，平均气孔面积率是指每单位面积的多孔碳质薄膜层的平均气孔的面积比率的百分率。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层的气孔率为20～90％，优选为50～90％，更优选为70～90％。当所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率小于20％时，由于未能顺利地排出电化学反应所产生的冷凝水，反应浓度也会降低而导致发电电压降低，当所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率超过90％时，会导致电解质分离膜的干燥，从而未能顺利地排出电化学反应所产生的热而降低导电率。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层的每100mm2单位面积的气孔数为63000～64000个。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层的厚度为1～200μm。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层为聚酰亚胺薄膜层。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层为多孔石墨层。
根据本发明的一个实施方式，相对于所述多孔石墨层的总重量，所述多孔石墨层的碳含量为20重量％以上。当所述多孔石墨层的碳含量小于20重量％时，多孔石墨层的热不能顺利地扩散而导致电解质分离膜的干燥，从而降低导电率。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔石墨层是对聚酰亚胺薄膜进行热处理而进行碳化的。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰亚胺薄膜为多孔聚酰亚胺薄膜。
根据本发明的一个实施方式，所述热处理是包括碳化步骤及石墨步骤的方法。
根据本发明的一个实施方式，所述碳化步骤包括：将聚酰亚胺薄膜导入到具有第1温度区间的第一加热器中，从而将所述高分子薄膜进行碳化而转变为碳质薄膜的步骤。
根据本发明的一个实施方式，所述第1温度区间为依次上升至500±50～1000℃的区间。
根据本发明的一个实施方式，所述石墨步骤包括：将所述碳质薄膜导入到具有第2温度区间的第二加热器中，从而转变为石墨薄膜的步骤，其中所述第2温度区间为温度线性上升的区间。
根据本发明的一个实施方式，所述第二加热器具有4000～6000mm的长度。
根据本发明的一个实施方式，所述第2温度区间为依次上升至1000～2800℃的区间。
根据本发明的一个实施方式，所述第2温度区间包括1000～1500℃的第2-1温度区间、1500～2200℃的第2-2温度区间及2200～2800℃的第2-3温度区间。
根据本发明的一个实施方式，所述石墨步骤包括：在所述第2-1温度区间内将所述碳质薄膜以0.33～1.33mm/秒横向移动，将所述第二加热器的内部温度以每分钟1～5℃升高的同时，对所述碳质薄膜进行热处理1～4小时的步骤。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层是对针进行加压或照射激光来形成气孔。
根据本发明的一个实施方式，所述针的平均直径为1～100μm。
根据本发明的一个实施方式，所述气孔之间的平均间隔为1～10μm.
根据本发明的一个实施方式，所述针为一个以上，所述针之间的间隔为平均10μm以上。
根据本发明的一个实施方式，所述针为一个以上，所述针形成四边形、圆形、椭圆形、菱形或它们的组合的图案。
根据本发明的一个实施方式，所述针的加压方向为垂直于所述多孔碳质薄膜层的一面的方向或垂直于其背面的方向。
根据本发明的一个实施方式，所述针的加压方法为垂直加压或使针旋转的同时进行加压。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层是在所述聚酰亚胺薄膜上形成气孔后进行热处理。
根据本发明的一个实施方式，所述多孔碳质薄膜层是对所述聚酰亚胺薄膜进行热处理后形成气孔。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰亚胺薄膜为公知的聚酰亚胺薄膜。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰亚胺薄膜是通过对聚酰胺酸溶液进行加热而获得。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰亚胺薄膜是通过将聚酰胺酸溶液以薄膜的形状进行浇铸并以热进行脱环化去除溶剂而获得，或者通过在聚酰胺酸溶液中混合环化催化剂及脱水剂并以化学的方式进行脱环化来制备凝胶薄膜，并将其进行加热去除溶剂而获得。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰胺酸溶液是在有机溶剂中聚合原料的芳香族二胺成分和芳香族酸二酐成分或者将这两种作为主要成分的化学物质而获得。
根据本发明的一个实施方式，所述芳香族二胺成分包含对苯二胺，还可以包含4,4'-二氨基二苯醚。
根据本发明的一个实施方式，所述芳香族酸酐成分为均苯四甲酸二酐及/或3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰胺酸溶液还包含附加的二胺成分。
根据本发明的一个实施方式，所述附加的二胺成分为3,3'-二氨基二苯醚、间苯二胺、4,4'-二氨基二苯基丙烷、3,4'-二氨基二苯基丙烷、3,3'-二氨基二苯基丙烷、4,4'-二氨基二苯基甲烷、3,4'-二氨基二苯基甲烷、3,3'-二氨基二苯基甲烷、联苯胺、4,4'-二氨基二苯硫醚、3,4'-二氨基二苯硫醚、3,3'-二氨基二苯硫醚、4,4'-二氨基二苯砜、3,4'-二氨基二苯砜、3,3'-二氨基二苯砜、2,6-二氨基吡啶、双-(4-氨基苯基)二乙基硅烷、3,3'-二氯联苯胺、双-(4-氨基苯基)乙基氧化膦、双-(4-氨基苯基)苯基氧化膦、双-(4-氨基苯基)-N-苯胺、双-(4-氨基苯基)-N-甲胺、1,5-二氨基萘、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基联苯、3,4'-二甲基-3',4-二氨基联苯-3,3'-二甲氧基联苯胺、2,4-双(对β-氨基-叔丁基苯基)醚、双(对β-氨基-叔丁基苯基)醚、对双(2-甲基-4-氨基戊基)苯、对双-(1,1-二甲基-5-氨基戊基)苯、间苯二甲胺、对苯二甲胺、1,3-二氨基金刚烷、3,3'-二氨基-1,1'-二氨基金刚烷、3,3'-二氨基甲基-1,1'-二金刚烷、双(对氨基环己基)甲烷、六亚甲基二胺、庚二胺、辛二胺、壬二胺、癸二胺、3-甲基庚二胺、4,4'-二甲基庚二胺、2,11-二氨基十二烷、1,2-双(3-氨基丙氧基)乙烷、2,2-二甲基丙二胺、3-甲氧基六亚乙基二胺、2,5-二甲基六亚甲基二胺、2,5-二甲基庚二胺、5-甲基壬二胺、1,4-二氨基环己烷、1,12-二氨基十八烷、2,5-二氨基-1,3,4-恶二唑、2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、N-(3-氨基苯基)-4-氨基苯甲酰胺、4-氨基苯基-3-氨基苯甲酸酯或它们的混合物。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰胺酸溶液还包含附加的酸二酐成分。
根据本发明的一个实施方式，所述附加的酸二酐为2,3',3,4'-联苯四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,6,7-萘二甲酸二酐、2,2-双(3,4-二羧基苯基)醚、吡啶-2,3,5,6-四羧酸二酐、1,2,4,5-萘四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸二酐、1,4,5,8-十氢萘四甲酸二酐、4,8-二甲基-1,2,5,6-六氢萘四甲酸二酐、2,6-二氯-1,4,5,8-萘四甲酸二酐、2,7-二氯-1,4,5,8-萘四甲酸二酐、2,3,6,7-四氯-1,4,5,8-萘四甲酸二酐、1,8,9,10-菲四甲酸二酐、2,2-双(2,3-二羧基苯基)丙烷二酐、1,1-双(3,4-二羧基苯基)乙烷二酐、1,1-双(2,3-二羧基苯基)乙烷二酐、双(2,3-二羧基苯基)甲烷二酐、双(3,4-二羧基苯基)甲烷二酐、双(3,4-二羧基苯基)砜二酐、苯-1,2,3,4-四羧酸二酐、3,4,3',4'-二苯甲酮四羧酸二酐或它们的混合物。
根据本发明的一个实施方式，所述聚酰胺酸溶液还包含有机溶剂。
根据本发明的一个实施方式，所述有机溶剂为二甲基亚砜、二乙基亚砜等亚砜类溶剂，N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺等甲酰胺类溶剂，N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二乙基乙酰胺等乙酰胺类溶剂，N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙烯基-2-吡咯烷酮等吡咯烷酮类溶剂，苯酚、邻甲酚、间甲酚或对甲酚、二甲苯酚、卤代苯酚、邻苯二酚等苯酚类溶剂，以及六甲基磷酰胺、γ-丁内酯等非质子极性溶剂，或者它们的混合物。
根据本发明的一个实施方式，所述有机溶剂还包含二甲苯、甲苯等芳香烃。
以下，对本发明的燃料电池用膜电极组件进行说明。
本发明的燃料电池用膜电极组件包括：所述燃料电池用电解质分离膜；以及位于互相相对的位置的负极电极和正极电极，所述电解质分离膜在所述负极电极和正极电极之间。
根据本发明的一个实施方式，所述电解质分离膜可以为全氟磺酸聚合物、烃类聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚、聚磷腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、掺杂的聚苯并咪唑、聚醚酮、聚砜、它们的酸或碱。
本发明的负极电极和正极电极分别包括气体扩散层和催化剂层。
根据本发明的一个实施方式，所述负极电极的催化剂层包含选自铂、钌、锇、铂-钌合金、铂-锇合金、铂-钯合金及铂-过渡金属合金中的任一种以上的催化剂。
根据本发明的一个实施方式，所述正极电极的催化剂层包含铂。
根据本发明的一个实施方式，所述负极电极或所述正极电极的催化剂负载于碳基载体。
以下，对本发明的燃料电池进行说明。
本发明的燃料电池包括：堆叠体，其包括所述膜电极组件和夹杂在所述膜电极组件之间的隔膜；将燃料供应到所述堆叠体的燃料供应部；以及将氧化剂供应到所述发电部的氧化剂供应部。
本发明的隔膜起到如下作用，即防止膜电极组件之间的电性连接，将从外部供应的燃料及氧化剂递送到膜电极组件，并起到将负极电极和正极电极串联连接的导电体的作用。
本发明的燃料供应部起到将燃料供应到所述堆叠体的作用，所述燃料供应部可以包括存储燃料的燃料罐和将所述燃料罐中存储的燃料供应到堆叠体的泵。
根据本发明的一个实施方式，所述燃料为气体或液体状态的氢或烃燃料。
根据本发明的一个实施方式，所述烃燃料为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
本发明的氧化剂供应部起到将氧化剂供应到所述堆叠体的作用。
根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂为氧或空气。
根据本发明的一个实施方式，所述氧化剂是用泵进行注入。
根据本发明的一个实施方式，所述燃料电池为高分子电解质型燃料电池或直接甲醇型燃料电池。
以下，列举实施例对本发明进行更加详细的说明。但是，这些实施例仅仅是为了更加具体地说明本发明，本发明的权利范围并不受限于这些实施例。
<制备例1>石墨薄膜的制备
将TAIMADE公司制造的商品名为TL-050的厚度为50μm的聚酰亚胺薄膜以卷的形态收卷到夹具上，然后将聚酰亚胺薄膜导入到具有第1温度区间的第一加热器中，将所述高分子薄膜进行碳化而转变为碳质薄膜。在所述第1温度区间，以每分钟10℃从500℃升温至1000℃，然后保持1000℃的温度2小时左右。
之后，在第一加热器中转变的碳质薄膜具有5000mm的长度，将所述碳质薄膜以1.00mm/秒横向移动，将氩气导入至5kgf/cm2的压力气氛的第二加热器中，转变为石墨薄膜，从而制备石墨薄膜。
在所述第2温度区间，依次应用1000～1500℃的第2-1温度区间、1500～2200℃的第2-2温度区间及2200～2800℃的第2-3温度区间。
在所述第2-1温度区间1000～1500℃，以每分钟3℃进行升温3小时，在所述第2-2温度区间1500～2200℃，以每分钟5℃进行升温2小时。
在第2-3温度区间2200～2800℃，以每分钟10℃进行升温，然后进行保持2800℃的温度的区间2小时。
<实施例1-1>气体扩散层的制备
利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，在所述制备例1中制备的石墨薄膜上照射激光，从而制备气体扩散层。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为50％，气孔率为58％。
<实施例1-2>形成催化剂层的电解质分离膜的制备
电解质分离膜使用作为全氟磺酸聚合物的杜邦公司的Nafion膜(Nafion 112)。为了制备催化剂墨，使用负载铂的碳催化剂(Pt/C)作为负极和正极催化剂。混合Nafion溶液、异丙醇及水，并与所述催化剂混合，以使催化剂:nafion的干燥重量:溶剂＝1:0.3:20，然后进行搅拌以充分分散，并用高速混合器(2小时)均匀混合，从而准备催化剂墨。
利用喷雾涂布机(spray coater)，将所制备的催化剂墨喷射到高分子电解质膜的一面上，分别形成0.4mg/cm2的催化剂层。
<实施例1-3>单位电池的制备
在所述实施例1-2中制备的电解质分离膜的两面上叠加所述实施例1-1中制备的气体扩散层，然后以膜电极组件为中心，将用于保持气体的气密性的210μm的垫片粘附在除电极部分之外的高分子电解质部分，并粘附负极用板和正极用板，从而制备单位电池，其中，所述负极用板具有向膜电极组件投入氢气及提供均匀的压力的流路，所述正极用板用于投入空气及对膜电极组件提供均匀的压力。
<实施例2-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对聚酰亚胺薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为50％，气孔率为58％。
<实施例2-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例2-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<实施例3-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对Guardnec公司制造的商品名为GD-025的厚度为25μm的石墨薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为50％，气孔率为58％。
<实施例3-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例3-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<实施例4-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对Guardnec公司制造的商品名为GD-025的厚度为25μm的石墨薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为5％，气孔率为6％。
<实施例4-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例4-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<实施例5-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对Guardnec公司制造的商品名为GD-025的厚度为25μm的石墨薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为70％，气孔率为81％。
<实施例5-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例5-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<实施例6-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对Guardnec公司制造的商品名为GD-025的厚度为25μm的石墨薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为85％，气孔率为89％。
<实施例6-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例6-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<实施例7-1>气体扩散层的制备
在所述制备例1中，除了将进行预处理步骤的聚酰亚胺薄膜收卷到夹具之外，通过与所述制备例1相同的过程获得石墨薄膜，将所获得的该石墨薄膜制备为气体扩散层，其中，所述预处理步骤是利用UHT公司制造的商品名为RFP-3P20的激光照射器，以60kHz的频率、1.2W的加工端功率、15射/孔(shot/hole)的照射次数及7.3秒的照射时间的条件，对Guardnec公司制造的商品名为GD-025的厚度为25μm的石墨薄膜照射激光。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为10μm，平均气孔面积率为92％，气孔率为96％。
<实施例7-3>单位电池的制备
除了使用所述实施例7-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<比较例1-1>气体扩散层的制备
利用高速混合器，将BET表面积为1500m2/g的科琴黑(ketjen black)粉末、聚四氟乙烯(PTFE)和作为溶剂的水和异丙醇均匀混合30分钟，从而制备用于形成微细气孔层的涂覆组合物。此时，相对于科琴黑的重量，将聚四氟乙烯调节为25％重量。以每单位面积5mg/cm2重量，将所制备的组合物喷涂到碳纸上，所述碳纸为没有微细气孔层且由大气孔组成的SGL公司的碳纸。之后，在350℃下进行热处理30分钟，最终制备具有微细气孔层的气体扩散层。
所制备的气体扩散层的厚度为25μm，平均气孔直径为5μm。
<比较例1-3>单位电池的制备
除了使用所述比较例1-1中制备的气体扩散层作为气体扩散层之外，通过与所述实施例1-3相同的过程制备单位电池。
<试验例1>界面电阻的测量
在燃料电池的60％的低加湿条件下，利用HIOKI公司的商品名为3540-02的设备，并使用两个电极(two electrode)的阻抗(impedance)方法，对所述实施例3-3～7-3及比较例1-3的燃料电池测量单电池中的膜电极组件的导电率。
基准电极中流入300sccm的氢气，工作电极中流入1200sccm的空气，测量100m～10kHz区间的阻抗并计算平均值，将其结果示于下述表1中。
[表1]
如上述表1中所示，与具备现有的气体扩散层的比较例1-3的燃料电池相比，可以确认具备本发明的具有微细气孔层的气体扩散层的实施例3-3至实施例7-3的燃料电池在加湿量少的状态下也保持湿润的状态，从而界面电阻低，尤其，可以确认实施例3-3、5-3及6-3的燃料电池的界面电阻低。
<试验例2>功率密度的测量
在电池温度保持为70℃且50％的低加湿条件下，对所述实施例3-3～7-3及比较例1-3的燃料电池测量基于电流的功率密度，并将其结果分别示于图1中。
如图1所示，与具备现有的气体扩散层的比较例1-3的燃料电池相比，可以确认具备本发明的具有微细气孔层的气体扩散层的实施例3-3至实施例7-3的燃料电池在加湿量少的状态下也显示出高功率密度。由此可以确认，与现有的比较例1-3的燃料电池相比，本发明的实施例3-3～7-3，尤其，实施例3-3、5-3及6-3的燃料电池在低加湿条件下气体扩散层也保持湿润的状态，从而显示出高功率密度。

Claims (14)

1.燃料电池用气体扩散层，其包括多孔碳质薄膜层，所述多孔碳质薄膜层的气孔的平均直径为0.1～100μm。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔碳质薄膜层的平均气孔面积率为10～90％。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔碳质薄膜层的气孔率为20～90％。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔碳质薄膜层的厚度为1～200μm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔碳质薄膜层为多孔石墨层。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔石墨层是对聚酰亚胺薄膜进行热处理而进行碳化的。
7.根据权利要求6所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述聚酰亚胺薄膜为多孔聚酰亚胺薄膜。
8.根据权利要求7所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔石墨层是在所述聚酰亚胺薄膜上形成气孔后进行热处理。
9.根据权利要求7所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔石墨层是对所述聚酰亚胺薄膜进行热处理后形成气孔。
10.根据权利要求5所述的燃料电池用气体扩散层，其中，相对于所述多孔石墨层的总重量，所述多孔石墨层的碳含量为20重量％以上。
11.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述多孔碳质薄膜层是对针进行加压或照射激光来形成气孔。
12.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，所述气孔之间的平均间隔为1～10μm。
13.燃料电池用膜电极组件，其包括：
电解质分离膜；以及
位于互相相对的位置的负极电极和正极电极，所述电解质分离膜在所述负极电极和正极电极之间，
所述负极电极和正极电极包括气体扩散层和催化剂层，
所述气体扩散层为权利要求1至12中任一项所述的燃料电池用气体扩散层。
14.燃料电池，其包括：
堆叠体，其包括一个或两个以上的权利要求13所述的膜电极组件和夹杂在所述膜电极组件之间的隔膜；
将燃料供应到所述堆叠体的燃料供应部；以及
将氧化剂供应到所述发电部的氧化剂供应部。
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