CN111279532A - 燃料电池气体扩散层用碳纤维织物以及燃料电池单元 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供一种用于燃料电池气体扩散层的碳纤维织物，该碳纤维织物能够使在燃料电池内层叠的情况的厚度变薄，提高用膜电极接合体和隔板夹入层叠时的密接性并降低电阻，并且在燃料电池内具有优良的气体扩散性，能够高效地发电。燃料电池气体扩散层用碳纤维织物(1)是将经线(2)以及纬线(3)交织而形成的，经线(2)或者纬线(3)的一方的线是实质上无捻线。另外，在燃料电池气体扩散层用碳纤维织物(1)的单面中，处于与作为无捻线的经线(2)或者纬线(3)交织的另一方的线(纬线或者经线)的上方的无捻线的根数比处于另一方的线的下方的无捻线的根数多。

Description

燃料电池气体扩散层用碳纤维织物以及燃料电池单元

技术领域

本发明涉及用于搭载于车辆、船舶、飞机等交通装置的燃料电池气体扩散层(片材)的碳纤维织物以及将该碳纤维织物作为气体扩散层嵌入的燃料电池单元。

背景技术

以往，由于高度关注环境问题，利用燃料电池作为新的能源的发电受到关注，在其中，作为主流的家庭用、车辆用固体高分子型燃料电池(以下设为“燃料电池”)是以下结构：反复层叠由在高分子膜的两面接合电极催化剂层的膜电极接合体(MEA:MembraneElectrode Assembly)、将燃料气体或氧化剂气体引导到电极反应区域的气体扩散层(GDL:Gas Diffusion Layer)以及具有气体导入/排出槽的隔板或密封材料等构成的单位组件(以下设为“燃料电池单元”)，以大致A4版尺寸的面积层叠组合几百张燃料电池单元，并将它们从两侧用板紧固。

在其中，关于嵌入到燃料电池单元的气体扩散层，面向低成本下的大量生产而备受期待的碳纤维是主要的原料。在此，气体扩散层一般是指形成为厚度为1mm以下的薄的片状的部件。

该气体扩散层要求具有能够将来自燃料电池单元的外部的含氢的燃料气体或者含氧的氧化剂气体这2个反应气体顺利地供给到膜电极接合体的电极催化剂层的功能。除此以外，作为气体扩散层的基本的功能，需要：

1)为了高效地提取电能而具有充分低的电阻；

2)具有用于提取大电流的充分的气体透过性以及使在电池中生成的生成水不堵塞(阻塞)地排出的良好的扩散性，能够发电大电流；

3)具有能够吸收层叠部件的厚度不均的缓冲性(弹性)等。

这样的气体扩散层由于大部分是纸结构，所以吸收厚度不均的缓冲性也低，消耗能量的工序最多，因此存在花费制造成本这样的问题。因此，为了使燃料电池系统普及，至关重要的是具有低的电阻、充分的气体扩散性、适度的缓冲性、充分的耐腐蚀性，节能工序并且低成本。

因此，在专利文献1，说明了在经线或者纬线中，通过将碳纤维线A和比碳纤维线A细的碳纤维线B分别交替排列多根，由碳纤维线A在织物的表面形成带状地突出的凸条部，由碳纤维线B形成槽状地陷没的凹条部，碳纤维线A的粗细、碳纤维线B的粗细、线的粗细的比(A的粗细)/(B的粗细)、凸条部的宽度Wr、凹条部的宽度Wd以及厚度方向的电阻值设为预定范围。

另外，在专利文献2中，说明了在构成阳极侧电极的第1气体扩散层以及构成阴极侧电极的第2气体扩散层中，与设置于第1隔板和第2隔板的第1流路和第2流路相对地设置第1气体流路和第2气体流路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-12719号公报

专利文献2：日本特开2000-113899号公报

专利文献3：日本特开2010-027510号公报

非专利文献

非专利文献1：草刈俊明等3人的「1Dセルを用いた燃料電池のガス拡散層のガス拡散抵抗解析」、学術講演会前刷集(秋季)、公益社団法人自動車技術会、No.111-13、p.1-3、2013年10月发行

发明内容

发明要解决的课题

但是，在将专利文献1中公开的碳纤维织物作为用于燃料电池的单个单元的电极嵌入时，碳纤维织物的表面与膜电极接合体的平面之间与粗的纤维部分的接触还好，但细的纤维部分与粗的纤维部分相比，分离开它们的纤维直径的差的一半的值。

因此，该部分处的接触相对地弱，细的纤维部分的导通少，膜电极接合体的催化剂部分的发电效率降低。在该文献的实施例中公开的发电性能也在0.6mA/cm²的条件下仅输出0.65V，不能说是良好的。这样，对于用于需要大功率的移动车辆的燃料电池用途，需要大量的单个单元。

另外，在专利文献2中公开的嵌入到燃料电池的气体扩散层中，需要在气体扩散层中使用的原材料(碳纸或者多孔碳)上切割出微细的槽这样的精密加工。因此，为了成为作为部件的气体扩散层，包含成品率等问题，制造成本变高。这样，难以为了实现用于嵌入的部件数量大的移动车辆的燃料电池而实现低成本地供给部件。

因此，本发明的课题在于，提供一种用于燃料电池气体扩散层的碳纤维织物，该碳纤维织物能够使在燃料电池内层叠的情况下的厚度变小(变薄)，提高用膜电极接合体和隔板夹入层叠时的密接性，并降低电阻。

同时，其课题在于，提供一种作为气体扩散层在燃料电池内具有优良的气体扩散性并能够发电大电流的低成本的用于燃料电池气体扩散层的碳纤维织物。

解决课题的方法

为了解决上述课题，本发明者关注碳纤维织物并认真研究，结果，在由应用了碳纤维织物的气体扩散层构成燃料电池的情况下，发现了发挥出前所未有的优良的性能的特殊的编织方法的碳纤维织物的存在。

即，关于燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的发明，在将经线以及纬线交织而形成的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物中，将经线或者纬线的一方的线设为实质上无捻线。另外，设为以下燃料电池气体扩散层用碳纤维织物：在该燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面，处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多。

另外，也可以经线以及纬线中的任意一个都是实质上的无捻线。即，也能够设为这样的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物：在将经线以及纬线交织而形成的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物中，经线以及纬线都是实质上无捻线，在燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面，关于经线或者纬线中的任一方的线，处于交织的另一方的线的上方的根数比处于该另一方的线的下方的根数多。

此外，也可以是在与上述燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面相反的一侧的面形成凹条部的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物。另外，也可以是使形成有凹条部的相反侧的面的刚性高于另一方的单面侧的刚性的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物。

关于利用上述燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的燃料电池单元的发明，设为以下燃料电池单元：具备由燃料电池气体扩散层用碳纤维织物构成的具有凹条部的气体扩散层以及具有多个槽部的隔板，其中，气体扩散层的具有凹条部的面和隔板的具有槽部的面相互接触，并且将气体扩散层的凹条部和隔板的槽部所成的角度θ设为10°以上且35°以下的范围。

另外，也可以是以下燃料电池单元：具备由燃料电池气体扩散层用碳纤维织物构成的具有凹条部的气体扩散层以及具有平面的隔板，其中，气体扩散层的具有凹条部的面和隔板的平面相互接触。

此外，在本申请发明中“实质上无捻线”是指，在织物工序中断线多发的甜捻纺纱线、还有捻线数少到不成为线的纺纱线或者几乎无捻的长纤维。

发明的效果

在本发明中，设为以下燃料电池气体扩散层用碳纤维织物：将经线以及纬线交织而形成，其中，经线或者纬线中的至少一方的线设为实质上无捻线，在燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面，处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多。

通过使膜电极接合体(MEA)的催化剂层接触处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多的面侧，该织物和膜电极接合体的催化剂层的密接性提高。在膜电极接合体的催化剂层中进行离子交换，所以高效地进行离子交换和电子的授受。

作为结果，能够实现充分低的电阻从而有效地提取电能。同时，通过该织物的表面的无捻线与膜电极接合体的催化剂层接触，处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多的面易于扁平化，还能够维持作为气体扩散层的作用并且使厚度减少。此外，本发明的碳纤维织物是织物结构，所以与碳纸相比吸收厚度方向的尺寸波动的柔软性提高。

另外，在与燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面(处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多的面)相反的一侧的面形成凹条部时，通过使形成有该凹条部的面和具有槽的隔板的槽面接触，形成更宽范围的气体流路。

作为结果，能够通过该气体流路使氧化剂气体供给/扩散，并且使膜电极接合体的催化剂层中生成的水蒸气在气体扩散层内不堵塞而迅速吸出并排出到构成燃料电池的系统外，所以能够提取大电流。即，在使用燃料电池时的大电流区域中，燃料电池单元内成为过加湿状态，得到良好的气体扩散阻力。

此外，使上述相反面的刚性高于上述单面(处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多的面)的刚性。

由此，在使具有槽的隔板的槽面接触气体扩散层的形成凹条部的面侧的情况下，减轻气体扩散层进入到隔板的槽内这一情况。作为结果，确保气体的流路，不损失供给氧化剂气体或者对生成水等进行排水的能力而维持高的发电能力。

另外，通过设为使气体扩散层的凹条部的面和隔板的平面相互接触的燃料电池单元，能够实现厚度薄的燃料电池的单个单元，能够薄型且轻量并且低成本地实现发电能力高并且组合了几百张单个单元的能够提取大功率的燃料电池堆。

附图说明

图1是示出作为本发明的一个实施方式的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物1的编织方式的示意(斜视)图。

图2是示出经线12是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物11的织物组织图(斜纹编织的情况)。

图3是示出经线22是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物21的织物组织图(缎纹编织的情况)。

图4是示出经线32以及纬线33是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物31的织物组织图(竖纹编织的情况)。

图5是图4所示的碳纤维织物31的A-A线示意剖面图。

图6是示出测定碳纤维织物的单面侧的刚性的方法的示意图。

图7是示出在碳纤维织物的刚性的测定方法中向该织物的单面侧加压后的状态的示意图。

图8是示出本发明的燃料电池单元10的结构的示意图。

图9是图8所示的带槽隔板5的B箭头视图。

图10是图8所示的碳纤维织物41的A箭头视图。

图11是说明碳纤维织物41的凹条部4和带槽隔板5的槽7交叉的角度(交叉角)θ的示意图。

图12是实施例2的通水试验中使用的试验装置的示意平面图。

图13是图12所示的通水试验中使用的试验装置的X-X剖面图。

具体实施方式

使用附图，说明作为本发明的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的实施方式的一个例子。图1是示出作为本发明的一个实施方式的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物(以下设为“碳纤维织物”)1的编织方式的示意(斜视)图。该碳纤维织物1是如图1所示将多根经线2(2A～2J)以及纬线3(3a～3j)通过斜纹编织交织的情况的例子。

图1所示的碳纤维织物1示出经线2是实质上无捻线且纬线3是有捻的线的情况。有捻的纬线3如图1所示其剖面呈现比较接近圆形的形状。相对于此，作为实质上无捻线的纬线2的剖面是椭圆形形状。

接下来，在构成碳纤维织物1的1根经线2A和与其交织的多根纬线3a～3j的关系中，着眼于单面(图1所示的面)侧而进行说明。作为实质上无捻线的1根经线2A如图1所示，首先越过1根经线3a的上方，钻过之后的2根经线3b、3c的下方。接下来，该经线2A在越过3根纬线3d、3e、3f的上方之后，同样地钻过2根纬线3g及3h的下方。

即，在本发明的碳纤维织物1是图1所示的交织方式的情况下，无捻线(经线2)相对另一方的线(纬线3)，以确保越过有捻的3根线(纬线)的上方(处于上方)之后钻过有捻的2根线(纬线)的下方(处于下方)这样的规则性的状态交织。

因此，在碳纤维织物1的单面，如图1所示，作为无捻线的经线2A相对与经线2A交织的另一方的线(纬线3a～3j)，处于另一方的线(纬线)的上方的无捻线(经线)的根数比处于与该无捻线(经线)交织的另一方的线(纬线)的下方的无捻线(经线)的根数多。该规则性关于经线2B等其他经线2B～2J也是相同的。

此外，还能够在着眼于形成本申请发明的碳纤维织物1的经线2的情况下将越过纬线3的经线2的根数称为“浮置(的)根数”，或者在着眼于形成碳纤维织物1的纬线3的情况下将越过经线2的纬线3的根数称为“浮置(的)根数”。

接下来，针对每种编织方式说明本申请发明的碳纤维织物1的不同的实施方式。图2示出表示经线12是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物11的织物组织图(斜纹编织的情况)，图3示出表示经线22是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物21的织物组织图(缎纹编织的情况)。另外，图4示出表示经线32以及纬线33都是实质上无捻线的情况下的本发明的一个实施方式的碳纤维织物31的织物组织图(竖纹编织的情况)。

图2所示的织物组织是使用10根经线(12A～12J)以及10根纬线(13a～13j)合计100根线通过斜纹编织交织的情况下的碳纤维织物11的织物组织。图2中的黑的部分表示经线12在纬线13上方织入的(浮置的)部位，白的部分表示纬线13在经线12上方织入的(浮置的)部位。在图2所示的织物组织(斜纹编织)的情况下，关于本发明的碳纤维织物11，由于作为实质上无捻线的经线12相对纬线13在上方交织的根数为60根，所以比处于纬线13的下方的经线12的根数(40根)多。

图3所示的织物组织是与图2的织物组织同样地使用10根经线(22A～22J)以及10根纬线(23a～23j)合计100根线通过缎纹编织交织的情况下的碳纤维织物21的织物组织。图3中的黑的部分与图2的情况同样地表示经线22在纬线23上方织入的(浮置的)部位，白的部分表示纬线23在经线22上方织入的(浮置的)部位。在图3所示的织物组织的情况下，关于本发明的碳纤维织物21，由于作为实质上无捻线的经线22相对纬线23在上方交织的根数为80根，所以比处于纬线23的下方的经线22的根数(20根)多。

图4所示的织物组织是使用16根经线(32A～32P)以及15根纬线(33a～33o)合计240根线通过竖纹编织交织的情况下的碳纤维织物31的织物组织。图4中的黑的部分与图2、3的情况同样地表示经线32在纬线33上方织入的(浮置的)部位，白的部分表示纬线33在经线32上方织入的(浮置的)部位。在图4所示的织物组织的情况下，关于本发明的碳纤维织物31，由于作为实质上无捻线的经线32相对实质上无捻的纬线33在上方交织的根数为168根，所以比处于纬线33的下方的经线32的根数(72根)多。

根据以上，除了形成燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的经线或者纬线的一方是实质上无捻线的情况以外，本发明的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物也可以经线以及纬线中的任意线是实质上无捻线。即，还能够在将经线以及纬线交织而形成的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物中，经线以及纬线都是实质上无捻线，在燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面，经线或者纬线中的任一方的线处于交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与该无捻线交织的另一方的线的下方的根数多。

此外，关于本发明的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的编织方法，除了上述斜纹编织、缎纹编织等以外，也可以是用平二重织将槽图案形成为纵槽、横槽、锯齿(阶梯状)槽、倾斜槽等在空间上连续的槽的织物。

另外，优选为以下方式：能够在编成的织物的单面在表面出现上述实质上无捻的线束，各线束的剖面扁平，在构成燃料电池单元的情况下扩展而平滑地设置，使得增加与膜电极接合体的催化剂面的接触面积。

此外，在斜纹编织中，经纬比(经线和纬线的比例)优选为2：3或者3：4，缎纹编织的话则3、4、5根的缎纹编织较好。另外，在平二重织中，如果例如像以公制支数显示的1/20Nm和1/100Nm那样针对纬线交替打入粗线和细线，则还能够成为在烧成收缩时经线的均等间距如后述图5所示偏移而在经线方向上形成槽的织物(所谓竖纹织物)。

接下来，使用图5，说明设置于碳纤维织物的凹条部的结构。图5是通过图4所示的竖纹编织交织的碳纤维织物31的A-A切断线处的示意剖面图。图5所示的碳纤维织物31与图4的情况同样地，经线32A～32P是无捻线，所以经线32A～32P在从A-A剖面方向观察时如图5所示呈现比较扁平形状。另外，由于纬线33也与经线32同样地是无捻的线，所以与图1所示的碳纤维织物1的情况同样地，其剖面形状是大致椭圆形形状。

而且，在碳纤维织物31中，如图4以及图5所示，交替打入粗细存在几倍以上的差的多根纬线。即，粗且实质上无捻的纬线成为处于一根经线的上方且处于7根经线的下方的7/1的缎纹编织，并且细且实质上无捻的纬线与经线成为平织，而成为所谓二重编织。

作为结果，碳纤维织物31的图5所示的下表面侧得到适合于抵接到膜电极接合体的催化剂部分侧的平滑面。接下来，叙述抵接到隔板的一方的面(图5的上表面)。在坯布中残留的消失纤维在烧成收缩时消失而形成间隙，在收缩时易于移动的经线相互靠拢，变得并非等间隔。

因此，经线32F和经线32H以及经线32H和经线32J的经线彼此的间隔变得比其他间隔宽，得到在经线方向上形成合适的凹条部4(双点划线所示的包络线部分)的碳纤维织物31。在此更重要的是，经线(粗线)33g等在膜电极接合体的催化剂部分侧大量存在，所以成为以下方式：与膜电极接合体的催化剂部分侧相比，隔板侧在剖面方向上切断时的每单位厚度的空隙率更大，在膜电极接合体的催化剂部分侧产生的水蒸气不结露而易于排出到隔板侧。

接下来，说明本发明的碳纤维织物的刚性。首先，通过在碳纤维织物的单面或者两面涂敷固化树脂并使其干燥，能够使涂敷该树脂的面的刚性比涂敷该树脂前提高。

具体地，在例如在碳纤维织物的单面或者两面涂敷使甲阶型的热固化性树脂分散而得到的液体并使其干燥之后，通过在惰性气体气氛内用平滑板对碳纤维织物进行压缩并进行加热/冷却，一边维持气体的供给以及透过性、气体的扩散性一边使该树脂固化。此时，一边对碳纤维织物进行加压，一边在惰性气体中在该树脂成为低电阻的600℃～1250℃的温度范围内进行烧成。

作为甲阶型的热固化性树脂，优选为水苯酚，能够利用使导电性碳黑、石墨在蒸馏水中均匀地分散而得到的水苯酚的油墨或糊剂。另外，作为涂敷方法，可以是凹版印刷方式、刮刀法以及喷洒喷雾方式，另外还可以是利用模头的宽度均匀的模具的直接涂敷法。

不论在哪一个方法中，相对涂敷树脂前的碳纤维织物的重量，涂敷分散液并使其加热固化后的碳纤维织物的增加重量都优选为5～50％的范围。此外，作为涂敷在碳纤维织物的单面侧的固化树脂，能够从PVA(聚乙烯醇)、SBR(苯乙烯丁二烯橡胶)、PVDF(聚偏二乙烯乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)等固化树脂中根据需要的刚性适宜地选择。

使用图6以及图7，说明通过以上的方法涂敷树脂并使其固化而得到的碳纤维织物的刚性的测定方法。图6是示出测定碳纤维织物的单面侧的刚性的方法的示意图，图7是示出在碳纤维织物的刚性的测定方法中向织物的单面侧加压后的状态的示意图。

关于测定本申请发明的碳纤维织物的刚性的方法，如图6所示在平坦状块上放置碳纤维织物，从碳纤维织物的上方以预定的压力P对コ字型的夹具(带槽的块：槽宽度w)加压。用コ字型的夹具按压的碳纤维织物如图7所示在该夹具的コ字的空隙部分(槽部分)中发现一些浮上。通过测定该碳纤维织物的浮上量(向槽内的侵入量)δ，测定碳纤维织物的刚性的程度。

接下来，使用图8～图11，说明关于包括本申请发明的碳纤维织物41和带槽隔板5的燃料电池单元10的发明的实施方式。图8是示出本发明的燃料电池单元10的结构的示意图，图9是图8所示的带槽隔板5的B箭头视图，图10是图8所示的碳纤维织物41的A箭头视图，图11是说明碳纤维织物41的凹条部4和带槽隔板5的槽7交叉的角度(交叉角)θ的示意图。此外，在图8中省略了在碳纤维织物41与膜电极接合体8之间存在的高分子膜、催化剂层等其他构成元素的图示。

本发明的燃料电池单元10如图8所示包括本申请发明的碳纤维织物41、与碳纤维织物41的具有凹条部4的面侧接触的带槽隔板5以及在碳纤维织物41的与具有凹条部4的面侧相反的一侧的面侧接触的膜电极接合体8。带槽隔板5的槽7如图9所示在纵向(纸面的上下方向)上设置有多条。相对于此，碳纤维织物41的凹条部4在倾斜方向上设置有多条。

因此，在将碳纤维织物41和带槽隔板5作为燃料电池单元10使这些部件重叠时，如图11所示碳纤维织物41的凹条部4相对带槽隔板5的槽7以角度θ构成。换言之，通过碳纤维织物41和带槽隔板5以凹条部4和槽7所成的角度(交叉角)θ接触，构成燃料电池单元10。从使作为燃料电池单元10的特性之一的气体扩散阻力值提高的观点，该角度θ优选为10°以上且35°以下。

【实施例1】

使用利用本发明材料以及比较材料的各碳纤维织物的GDL，制作燃料电池单元(以下称为“单元”)，测定该单元的发电性能，因此说明其测定结果。在本测定中使用的GDL设为使用2种本发明材料(本发明材料1及2)以及2种比较材料(比较材料1及2)的各碳纤维织物的GDL。本发明材料1是图1以及图2所示的斜纹编织(1根经线在跨越3根纬线之后钻过2根纬线的下方的编织方法)的GDL，仅经线为实质上无捻的线。另外，本发明材料2与发明材料1同样地是图1以及图2所示的斜纹编织的GDL，经线以及纬线都为实质上无捻的线。

相对于此，比较材料1是利用使用与本发明材料1相同的线且相同间距的平织(1根经线在跨过1根纬线之后钻过1根纬线的下方的编织方法)的碳纤维织物的GDL，仅经线为实质上无捻的线。比较材料2是利用使用与本发明材料2相同的线且相同间距的平织的碳纤维织物的GDL，经线以及纬线都为实质上无捻的线。表1示出在本测定中使用的各GDL(本发明材料以及比较材料)的特征。

【表1】

接下来，说明在本测定中使用的单元的构造。在本测定中使用的单元设为以下结构：将高分子膜(电解质膜：厚度20μm)配置在中央，在使催化剂层(密度0.6mg/cm²)密接到阳极以及阴极的两侧并且配置GDL之后，以与各GDL邻接的方式在最外侧安装隔板(带直槽)。

关于在该单元中使用的GDL，在氢极(阳极侧)设为SGL公司的GDL(产品编号：SGL24BC)，在空气极(阴极侧)设为上述本发明材料或者比较材料(电极面积都是1cm²)的各GDL。此外，嵌入到本测定的单元的各GDL的厚度设为100～150μm的范围。

针对上述单元，设定单元的运转条件，使得以每分钟1L的流量对氢极压送纯氢、对空气极压送用氮稀释后的空气，同时氢极以及空气极这两极都将气体加湿温度55℃的气体供给到发电部的温度为45℃的单元而成为过加湿条件。另外，将该单元中的两极的平均背压设为0.15MPa(abs)。在上述条件下，测量单元的IV(电流-电压)特性，将电压为0.2V时的电流值作为界限电流值，根据公式1计算气体扩散阻力值。

此外，该公式1设为与在专利文献3的说明书中公开的公式相同的计算式。另外，在下式中，分别示出F：法拉第常数、R：气体常数、Pav：出入口的平均绝对压力。

【式1】

在对上述各单元充分地进行共通的磨合运转之后，求出0.2V的界限电流值(I_lim：A/cm²)，计算出过加湿中的气体扩散阻力值(s/m)。作为结果，使用本发明材料1的单元的气体扩散阻力值(GDR)是64s/m，使用本发明材料2的单元的气体扩散阻力值是68s/m，使用本发明材料的单元的气体扩散阻力值都是低于70s/m的值。

此外，在此“磨合运转”是指，一边改变发电模式(VI条件、其时间)、一边优化高分子膜、催化剂层、GDL之间的熟悉度、一边使发电能力提高到稳定状态并进行性能评价的前阶段的单元的试运转行为。

相对于此，使用比较材料1的单元的气体扩散阻力值是107s/m，使用比较材料2的单元的气体扩散阻力值是109s/m，使用比较材料的单元的气体扩散阻力值都是超过100s/m的值。

根据以上测定结果，通过将GDL中使用的碳纤维织物设为经线或者纬线的一方的线或者两方的线是实质上无捻线、在该碳纤维织物的单面中处于与无捻线交织的另一方的线的上方的无捻线的根数比处于与该无捻线交织的另一方的线的下方的无捻线的根数多的碳纤维织物，在与上述单面侧相反的一侧的面中形成凹条槽。

作为结果，通过使隔板接触到该相反侧的面，在单元内(高分子膜、催化剂层)产生的水蒸气通过GDL的凹条槽向单元的外部迅速地排出，所以能够将氢气、空气中的氧更多地取入到单元中，能够提高燃料电池的气体扩散性能。

【实施例2】

接下来，为了比较本发明材料以及比较材料的各GDL中的流体(水)的易于流动性，进行通水试验。本试验中使用的GDL设为实施例1中使用的本发明材料2以及比较材料2(以下称为本发明材料3、比较材料3)。图12中示出本试验中使用的试验装置的示意平面图，图13中示出图12的X-X剖面图。

关于本试验装置，如图12以及图13所示，在钢制的底座上设置厚度0.1mm×宽度50mm×长度100mm的大小的GDL并且在其周围设置垫片的状态下，从上方用透明的树脂平板和钢制的按压板对GDL进行密闭。关于密闭的GDL，能够通过如图13所示中央部开口的按压板和透明的树脂平板来确认GDL的通水状况。之后，从本装置的管道(附图左侧)供给水压0.3MPa的自来水，测定从相反侧的管道(附图右侧)排出的每单位时间的流量，比较水的易于流动性。

作为测定自来水的流量的结果，使用本发明材料3的试验装置的通水量是每1分钟38cc。相对于此，使用比较材料3的试验装置的通水量是每1分钟22cc。根据以上测定结果可知，本发明材料相比于比较材料是使流体更易于流通的结构。因此，本发明的GDL即使是在单元中与隔板(与有无槽无关)接触的状态，也能够将在单元内产生的水蒸气向单元外迅速地排出。

【实施例3】

使用发明材料以及比较材料来测定预定的按压下的弯曲量的差异，因此说明其测定结果。另外，还使用相同的发明材料以及比较材料来进行与实施例1同样的发电性能的测定，因此还一并说明其测定结果。

本实施例的GDL的弯曲量测定以及发电性能测定中使用的GDL设为作为发明材料的对在实施例1中使用的本发明材料1的两面实施固化处理而得到的材料(以下设为本发明材料4)以及作为比较材料的对在实施例1中使用的比较材料1的两面用热固化性树脂实施固化处理而得到的材料(以下设为比较材料4)这2种。

关于对本发明材料4以及比较材料4的两面实施的固化处理，将实施例1中使用的本发明材料1以及比较材料1浸渍到甲阶型苯酚水溶液(在重量比率下以水：甲阶型苯酚树脂＝100：25的比例混合而得到的溶液)，干燥并在200℃的气氛下热固化，之后，还浸渍PTFE溶液(在重量比率下以水：PTFE＝100：3的比例混合而得到的溶液)，干燥并在340℃的气氛下热处理，将由此得到的材料作为本发明材料4以及比较材料4。

接下来，说明GDL的弯曲量的测定方法。在图6所示的平坦状块上设置上述GDL(碳纤维织物)，并在将带1mm槽宽(w)的槽的块从上方按压1.7MPa的压力(P)的状态下，测定图7所示的浮上量(侵入到槽内的GDL的尺寸)δ。关于单面侧以及相反面侧这两侧分别测定GDL的浮上量δ。

作为根据上述测定方法测定使用本发明材料4的GDL的浮上量δ的结果，本发明材料4的单面侧的浮上量δ1＝81μm，相反面侧的浮上量δ2＝43μm。在此，本发明材料4的单侧面是指，仅经线是实质上无捻、处于纬线的上方的经线的根数比处于纬线的下方的根数多(1根经线在跨过3根纬线之后钻过2根纬线的下方的方式)的面。

即，本发明材料4的单面侧相比于其相反面侧表露出的碳纤维的量更多，所以认为GDL的浮上量δ1也变得比相反面侧的浮上量δ2大。相对于此，该面的相反面侧的GDL如上所述形成有凹条槽。因此，上述单面侧的碳纤维表露的量变得比相反面侧少，所以GDL的浮上量δ2变得比单面侧的浮上量δ1小。

相对于此，作为测定使用比较材料4的GDL的浮上量δ的结果，两面侧的浮上量δ1、δ2都是54μm即是相同的值。认为这是因为比较材料4的编织方法是两面侧都利用平织的编织方法，任意的面在经线、纬线的表露方式中都无差异。

接下来，还使用相同的本发明材料4以及比较材料4的各GDL，与实施例1的情况同样地进行发电性能的测定，因此说明其测定结果。此外，本测定中使用的单元的结构以及气体扩散阻力值的测定和计算根据与实施例1的情况相同，所以省略详细的说明。

使用本发明材料4的GDL的单元的气体扩散阻力值(GDR)是53s/m。另一方面，使用比较材料4的单元的气体扩散阻力值(GDR)是151s/m，成为接近本发明材料4的GDL的阻力值的约3倍的测定结果。本发明材料4的气体扩散阻力值高于实施例1的测定中使用的本发明材料1及2的测定结果(本发明材料1＝64s/m、本发明材料2＝68s/m)中的任意的结果。

根据以上弯曲量的测定结果以及发电性能(气体扩散阻力值)的测定结果，通过发明材料4的GDL的编织方法的方式，在一方的面形成凹条槽，所以能够通过对该面实施固化处理来提高GDL自身的刚性。作为结果，即使在GDL和隔板相互接触的情况下，也能够防止GDL的碳纤维向隔板的槽内侵入，抑制妨碍流过隔板的槽的氢气、空气的流通，所以能够提高燃料电池的发电效率。

符号说明

1、11、21、31、41 (燃料电池气体扩散层用)碳纤维织物

2、12、22、32 经线

3、13、23、33 纬线

4 凹条部

5 (带槽)隔板

7 隔板5的槽

8 膜电极接合体

10 燃料电池单元

θ 交叉角

Claims (6)

1.一种燃料电池气体扩散层用碳纤维织物，将经线以及纬线交织而形成，其特征在于，

所述经线或者所述纬线的一方的线是实质上无捻线，在所述燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面中，处于与所述无捻线交织的另一方的线的上方的所述无捻线的根数比处于所述另一方的线的下方的所述无捻线的根数多。

2.一种燃料电池气体扩散层用碳纤维织物，将经线以及纬线交织而形成，其特征在于，

所述经线以及所述纬线都是实质上无捻线，在所述燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面中，关于所述经线或者所述纬线中的任一方的线，处于交织的另一方的线的上方的根数比处于所述另一方的线的下方的根数多。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物，其中，

在与所述燃料电池气体扩散层用碳纤维织物的单面相反的相反侧的面形成有凹条部。

4.根据权利要求3所述的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物，其特征在于，

所述相反侧的面的刚性高于所述单面的刚性。

5.一种燃料电池单元，具备由根据权利要求3或4所述的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物构成、具有所述凹条部的气体扩散层以及具有多个槽部的隔板，其特征在于，

所述气体扩散层的具有凹条部的面和所述隔板的具有槽部的面相互接触，并且所述气体扩散层的凹条部和所述隔板的槽部所成的角度θ是10°以上且35°以下的范围。

6.一种燃料电池单元，具备由根据权利要求3或4所述的燃料电池气体扩散层用碳纤维织物构成、具有所述凹条部的气体扩散层以及具有平面的隔板，其特征在于，

所述气体扩散层的具有凹条部的面和所述隔板的平面相互接触。

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