CN111180744A - 在碳纸形成气体扩散层的方法及形成有气体扩散层的碳纸 - Google Patents

在碳纸形成气体扩散层的方法及形成有气体扩散层的碳纸 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够实现在作为基底层的气体扩散层中兼顾平滑性与通气性以及排水性的、在碳纸形成气体扩散层的方法以及燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸，燃料电池所用的在碳纸(CP)形成气体扩散层(L2)的方法具有：在碳纸(CP)的表面形成疏水层(L1)的工序；在疏水层(L1)形成龟裂(CR)的工序；以及在形成有龟裂(CR)的疏水层(L1)之上形成气体扩散层(L2)的工序。

Description

在碳纸形成气体扩散层的方法及形成有气体扩散层的碳纸
技术领域
本发明涉及在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法以及形成有气体扩散层的碳纸。
背景技术
以往，燃料电池具有在碳纸形成疏水层并干燥之后形成有气体扩散层的碳纸(例如，专利文献1)，其中，在发电时产生的水分通过气体扩散层以及疏水层向碳纸排出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开昭62-12267号公报
发明要解决的课题
在作为燃料电池的基底层的气体扩散层中，要求通气性以及排水性，另一方面也要求用于形成电极层的平滑性。但是，对基底层要求的平滑性与通气性以及排水性是相反的，因此不容易兼顾它们而稳定生产，从而导致成品率恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供能够兼顾作为基底层的气体扩散层中的平滑性与通气性以及排水性的、在碳纸形成气体扩散层的方法以及燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，本发明提供一种在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法，具有：在碳纸(例如，后述的碳纸CP)的表面形成疏水层(例如，后述的疏水层L1)的工序；在所述疏水层形成龟裂(例如，后述的龟裂CR)的工序；以及在形成有龟裂的所述疏水层之上形成气体扩散层(例如，后述的气体扩散层L2)的工序。
根据本发明，能在作为燃料电池的基底层的气体扩散层确保用于形成电极层的平滑性。而且，能够做成在气体扩散层的一部分进入龟裂的状态下在气体扩散层也产生有龟裂的状态。其结果是，能够在气体扩散层以及疏水层确保排水性，能够在气体扩散层以及疏水层中兼顾平滑性以及排水性而稳定生产，从而能够提高成品率。
并且，在形成所述龟裂CR的工序中，以在所述疏水层的疏水材料物质产生龟裂的速度使所述疏水层干燥，由此在所述疏水层形成龟裂。因此，能够在使疏水层干燥的同时在疏水层形成龟裂，因此能够容易地在疏水层形成龟裂。
另外，本发明提供一种燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸，具备：碳纸(例如，后述的碳纸CP)；疏水层(例如，后述的疏水层L1)，其形成于所述碳纸的表面；以及气体扩散层(例如，后述的气体扩散层L2)，其形成于所述疏水层之上，在所述疏水层形成有龟裂(例如，后述的龟裂CR)，所述气体扩散层的一部分以覆盖于所述疏水层的形成有龟裂的部分的方式进入所述疏水层的龟裂。
根据本发明，气体扩散层也与疏水层同样地成为产生有龟裂的状态，因此能够得到能够实现疏水层以及气体扩散层的排水性的形成有气体扩散层的碳纸。
发明效果
根据本发明，能够提供能够实现在作为基底层的气体扩散层中兼顾平滑性与通气性以及排水性的、在碳纸形成气体扩散层的方法以及燃料电池。
附图说明
图1是示出用于实施本发明的在碳纸形成气体扩散层的方法的碳纸的加工装置的概要图。
图2是示出本发明的在碳纸形成气体扩散层的方法中的、在碳纸上形成有疏水层的情形的概要图。
图3是示出本发明的在碳纸形成气体扩散层的方法中的、在形成于碳纸上的疏水层形成有龟裂的情形的概要图。
图4是示出本发明的在碳纸形成气体扩散层的方法中的、在形成于碳纸上的疏水层之上形成有气体扩散层的情形的概要图。
图5是示出确认在形成于碳纸的疏水层以及气体扩散层产生有龟裂的情况下的渗透压的试验结果的图表。
附图标记说明
CP 碳纸
CR 龟裂
L1 疏水层
L2 气体扩散层。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是示出用于实施在碳纸形成气体扩散层的方法的碳纸的加工装置1的概要图。
如图1所示，用于实施在碳纸形成气体扩散层的方法的碳纸的加工装置1是用于对构成燃料电池的碳纸CP进行形成电极、疏水层L1的涂敷而形成电解质膜等的装置，具备：放出用辊10和卷绕用辊20；作为进行加热加工的加热炉的干燥炉30；以及模头40或者基底层形成部50。
在放出用辊10预先卷绕碳纸CP，放出用辊10朝向卷绕用辊20放出碳纸CP。模头40对从放出用辊10放出的碳纸CP进行形成疏水层L1的涂敷。干燥炉30的内部形成例如200℃左右的高温的环境。由模头40进行了疏水层L1的涂敷的碳纸CP通过干燥炉30的内部，由此使涂敷了的疏水层L1在短时间内干燥而形成已形成有龟裂CR的疏水层L1。使形成于碳纸CP上的疏水层L1干燥之后，卷绕用辊20卷绕形成有疏水层L1的碳纸CP。
同样地，将形成有疏水层L1的碳纸CP作为放出用辊10朝向卷绕用辊20放出碳纸CP。基底层形成部50在形成于碳纸CP上的形成有龟裂CR的疏水层L1之上进行涂敷，形成作为基底层的气体扩散层L2。使形成于碳纸CP上的气体扩散层L2通过干燥炉30干燥之后，卷绕用辊20卷绕形成有疏水层L1以及气体扩散层L2的碳纸CP。
在从放出用辊10放出的碳纸CP的前端部连接耐热性引线LE。耐热性引线LE由聚酰亚胺材料的树脂膜构成，该树脂膜具有与碳纸CP的宽度相同的宽度。耐热性引线LE的一端部固定于卷绕用辊20，且卷绕于卷绕用辊20。另外，在碳纸CP的后端部也连接同样的耐热性引线LE。
耐热性引线LE通过模头40或者基底层形成部50、干燥炉30且具有从放出用辊10至卷绕用辊20的长度，耐热性引线LE的另一端部通过由所谓的被称为清漆的聚酰亚胺酰胺系的热固化性树脂构成的粘接剂，粘接于从放出用辊10放出的碳纸CP的前端部。因此，耐热性引线LE通过模头40或者基底层形成部50、干燥炉30而被卷绕用辊20卷绕之后，碳纸CP也同样地通过模头40或者基底层形成部50、干燥炉30而被卷绕用辊20卷绕。
接下来，对在碳纸形成气体扩散层的方法进行说明。
图2是示出在碳纸形成气体扩散层的方法中的、在碳纸CP上形成有疏水层L1的情形的概要图。图3是示出在碳纸CP形成气体扩散层L2的方法中的、在形成于碳纸CP上的疏水层L1形成有龟裂的情形的概要图。图4是示出在碳纸CP形成气体扩散层L2的方法中的、在形成于碳纸CP上的疏水层L1之上形成有气体扩散层L2的情形的概要图。
在碳纸形成气体扩散层的方法中，首先，进行在碳纸CP上形成疏水层L1的工序。具体而言，对从放出用辊10放出的碳纸CP由模头40进行涂敷，如图2所示，在碳纸CP上形成疏水层L1。涂敷通过在片状的碳纸CP的纤维表面涂抹氟系疏水材料(高分子)来进行。
接下来，进行在疏水层L1形成龟裂CR的工序。在该形成龟裂CR的工序中，以在疏水层L1的疏水材料物质产生龟裂CR的速度使疏水层L1干燥，由此在疏水层L1形成龟裂CR。
具体而言，将通过模头40的涂敷而形成有疏水层L1的碳纸CP通过干燥炉30，由此使疏水层L1干燥。由此，如图3所示，在疏水层L1形成龟裂CR。疏水层L1的干燥通过将形成有电极以及疏水层L1的碳纸CP在200℃的环境的干燥炉30中通过30秒～1分钟左右而进行。用卷绕用辊20卷绕形成有疏水层L1的碳纸CP。
接下来，进行在形成有龟裂CR的疏水层L1之上形成气体扩散层L2的工序。具体而言，将形成有疏水层L1的碳纸CP设置于放出用辊10，并朝向卷绕用辊20放出。在形成有龟裂CR的疏水层L1之上，利用基底层形成部50进行涂敷，并利用干燥炉30进行干燥而形成气体扩散层L2。涂敷通过在作为构造材料的碳粒子涂抹氟系疏水材料(高分子)而进行。由此，如图4所示，成为气体扩散层L2的一部分进入形成于疏水层L1的龟裂CR的状态。
即，如图4所示，燃料电池所用的形成有气体扩散层L2的碳纸CP具备：碳纸CP；疏水层L1，其形成于碳纸CP的表面；以及气体扩散层L2，其形成于疏水层L1之上。并且，如图4所示，成为气体扩散层L2的一部分以覆盖于疏水层L1的形成有龟裂CR的部分的方式进入形成于疏水层L1的龟裂CR的状态。
接下来，进行调查形成于疏水层L1以及气体扩散层L2的龟裂CR(裂纹)与渗透压的关系的实验。在实验中，对使形成于疏水层L1以及气体扩散层L2的龟裂CR(裂纹)的数量分别是规定的值而形成的碳纸CP的样本压入水，一边提高压力一边求出水透过而压力上升饱和时的值。裂纹数的单位“裂纹数/1英寸Φ”是指：将使光从样本的背面透过时透过而可见的部分定义为裂纹，存在于样本的1英寸Φ的范围的裂纹数。试验结果如图5的图表所示。
图5是示出确认在形成于碳纸CP的疏水层L1以及气体扩散层L2产生有龟裂CR的情况下的渗透压的试验结果的图表。
如图5所示，可知，在“裂纹数/1英寸Φ”的值为0～30的范围内，随着裂纹数增加而渗透压大幅地减少。因此，可知，裂纹数越多，越能够使更多的水通过，可知，若如本实施方式这样，通过在干燥炉30中以200℃这样的高温使疏水层L1干燥来使龟裂CR(裂纹)产生，则水容易经由疏水层L1以及气体扩散层L2通过而能够提高排水性。但是，在“裂纹数/1英寸Φ”的值超过30的范围内，裂纹数即使增加，渗透压也几乎不变，稳定且渗透压低，因此优选该范围。
需要说明的是，“裂纹数/1英寸Φ”的值能够通过延长疏水层L1的干燥时间或提高干燥的温度等方法来增加。
根据本实施方式，能够起到以下的效果。
在本实施方式中，在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法具有：在碳纸CP的表面形成疏水层L1的工序；在疏水层L1形成龟裂CR的工序；以及在形成有龟裂CR的疏水层L1之上形成气体扩散层L2的工序。
由此，能在作为燃料电池的基底层的气体扩散层L2确保用于形成电极层的平滑性。而且，能够做成在气体扩散层L2的一部分进入龟裂CR的状态下在气体扩散层L2也产生有龟裂CR的状态。其结果是，能够在气体扩散层L2以及疏水层L1确保排水性，能够在气体扩散层L2以及疏水层L1中兼顾平滑性以及排水性而稳定生产，从而能够提高成品率。
另外，在本实施方式中，在形成龟裂CR的工序中，以在疏水层L1的疏水材料物质产生龟裂CR的速度使疏水层L1干燥，由此在疏水层L1形成龟裂CR。因此，能够在使疏水层L1干燥的同时在疏水层L1形成龟裂CR，因此能够容易地在疏水层L1形成龟裂CR。
另外，在本实施方式中，燃料电池所用的形成有气体扩散层L2的碳纸CP具备：碳纸CP；疏水层L1，其形成于碳纸CP的表面；以及气体扩散层L2，其形成于疏水层L1之上。在疏水层L1形成有龟裂CR，气体扩散层L2的一部分以覆盖于疏水层L1的形成有龟裂CR的部分的方式进入疏水层L1的龟裂CR。因此，气体扩散层L2也与疏水层L1同样地成为产生有龟裂CR的状态，因此能够得到能够实现疏水层L1以及气体扩散层L2的排水性的形成有气体扩散层L2的碳纸CP。
本发明并不局限于上述实施方式，能够达到本发明的目的的范围内的变形、改良等包含于本发明。
例如，在本实施方式中，在形成龟裂CR的工序中，以在疏水层L1的疏水材料物质产生龟裂CR的速度使疏水层L1干燥，由此在疏水层L1形成龟裂CR，但并不局限于该方法。例如，也可以通过机械加工来形成龟裂CR。
另外，碳纸、疏水层、气体扩散层等的材质、构成等不局限于本实施方式的碳纸CP、疏水层L1、气体扩散层L2等的材质、构成等。同样地，在碳纸形成气体扩散层的方法的各工序、用于实施在碳纸形成气体扩散层的方法的装置不局限于本实施方式的各工序、碳纸的加工装置1。
例如，在疏水层L1形成龟裂CR的工序中，疏水层L1的干燥是将形成有电极以及疏水层L1的碳纸CP在200℃的环境的干燥炉30中通过30秒～1分钟左右而进行的，但不局限于此。例如，也可以与疏水层、气体扩散层的材料等相应地适当改变干燥时间、温度。

Claims (3)

1.一种在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法，其中，
所述在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法具有：
在碳纸的表面形成疏水层的工序；
在所述疏水层形成龟裂的工序；以及
在形成有龟裂的所述疏水层之上形成气体扩散层的工序。
2.根据权利要求1所述的在燃料电池所用的碳纸形成气体扩散层的方法，其中，
在形成所述龟裂的工序中，以在所述疏水层的疏水材料物质产生龟裂的速度使所述疏水层干燥，由此在所述疏水层形成龟裂。
3.一种燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸，其中，
所述燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸具备：
疏水层，其形成于所述碳纸的表面；以及
气体扩散层，其形成于所述疏水层之上，
在所述疏水层形成有龟裂，
所述气体扩散层的一部分以覆盖于所述疏水层的形成有龟裂的部分的方式进入所述疏水层的龟裂。
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