DE102021114869A1

DE102021114869A1 - Gasdiffusionsschicht, membran-elektroden-baugruppe, brennstoffzelle und verfahren zur herstellung der gasdiffusionsschicht

Info

Publication number: DE102021114869A1
Application number: DE102021114869.3A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Kawashima; Yoko Yamamoto; Miyuki Yoshimoto; Koji Ogawa
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US20210391583A1; JP7474121B2; JP2021197245A; CN113809349A

Abstract

Eine Gasdiffusionsschicht umfasst: ein leitfähiges Partikel; und ein Fluorharz, und das Fluorharz umfasst eine erste Faser, die einen ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, und eine zweite Faser, die einen zweiten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, der sich von dem ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser unterscheidet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-101737 , die am 11. Juni 2020 eingereicht wurde und deren Inhalte durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Technisches Gebiet
Das technische Gebiet betrifft eine Gasdiffusionsschicht, eine Membran-Elektroden-Baugruppe, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Gasdiffusionsschicht weist Gaspermeabilität und Gasdiffusionsvermögen auf und wird zum Beispiel für eine Brennstoffzelle verwendet. In einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die ein Beispiel für eine Brennstoffzelle ist, wird eine Oberfläche einer für Wasserstoffionen leitfähigen Polymerelektrolytmembran einem Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, ausgesetzt und die andere Oberfläche wird Sauerstoff ausgesetzt und Wasser wird durch eine chemische Reaktion über die Elektrolytmembran synthetisiert, wodurch an diesem Zeitpunkt erzeugte Reaktionsenergie elektrisch gewonnen wird.
Eine einzelne Zelle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle weist eine Membran-Elektroden-Baugruppe (nachfolgend als „MEA“, für „membrane electrode assembly“ bezeichnet) und ein Paar leitfähige Separatoren auf, die auf beiden Seiten der MEA angeordnet sind. Die MEA umfasst eine für Wasserstoffionen leitfähige Polymerelektrolytmembran und ein Paar Elektrodenschichten, in die diese Elektrolytmembran eingeschoben ist. Das Paar Elektrodenschichten weisen eine Katalysatorschicht, die auf beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran gebildet ist und hauptsächlich aus Kohlenstoffpulver besteht, das einen Katalysator der Platingruppe trägt, und eine Gasdiffusionsschicht auf, die auf der Katalysatorschicht gebildet ist und sowohl Stromsammelwirkung, als auch Gaspermeabilität und Wasserabweisungsvermögen aufweist.
Die Gasdiffusionsschicht in der MEA liefert einförmig das Gas, das von dem Separator geliefert wird, an die Katalysatorschicht. Die Gasdiffusionsschicht wirkt auch als eine Leiterbahn für Elektronen zwischen der Katalysatorschicht und dem Separator. Daher wird manchmal ein leitfähiges poröses Element als die in der MEA verwendete Gasdiffusionsschicht verwendet.
Es ist erforderlich, dass die Gasdiffusionsschicht in der MEA ein hohes Wasserabweisungsvermögen aufweist, derart, dass überschüssiges Wasser, das durch die Batteriereaktion in der Katalysatorschicht erzeugt wird, schnell entfernt wird, um es aus dem MEA-System abzulassen, und die Poren der Gasdiffusionsschicht nicht durch das erzeugte Wasser verstopft werden. Daher wird allgemein eine Gasdiffusionsschicht verwendet, in der das leitfähige poröse Element einer Behandlung für Wasserabweisungsvermögen mit einem Fluorharz oder dergleichen unterzogen wird, und das leitfähige Basismaterial auf der Seite, die mit der Katalysatorschicht in Kontakt ist, wird mit einer wasserabweisenden Schicht versehen, die hauptsächlich aus Kohlenstoffpulver und einem wasserabweisenden Harz, wie beispielsweise einem Fluorharz, besteht.
Patent Nr. JP 4938133 offenbart eine Gasdiffusionsschicht, die ein poröses Element umfasst, das hauptsächlich aus einem leitfähigen Partikel und einem Polymerharz besteht.
KURZDARSTELLUNG
Die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht von Patent Nr. JP 4938133 ist schwach und es besteht eine Gefahr, dass die Gasdiffusionsschicht durch Gas- und Wasserdruck beschädigt wird. Daher ist es erforderlich, die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der Situationen erdacht und daher stellt eine nicht einschränkende und beispielhafte Ausführungsform eine Gasdiffusionsschicht bereit, die eine hervorragende mechanische Festigkeit aufweist.
In einem allgemeinen Aspekt weisen die hier offenbarten Techniken auf: eine Gasdiffusionsschicht, die umfasst:

ein leitfähiges Partikel; und
ein Fluorharz,
wobei das Fluorharz eine erste Faser, die einen ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, und eine zweite Faser, die einen zweiten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, umfasst, der sich von dem ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser unterscheidet.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Membran-Elektroden-Baugruppe bereit, die umfasst:

die Gasdiffusionsschicht;
ein Paar Elektroden; und
eine Elektrolytmembran.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Brennstoffzelle bereit, die umfasst:

die Gasdiffusionsschicht; und
eine Stromkollektorplatte.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht bereit, das umfasst:

Kneten eines leitfähigen Partikels, eines ersten Fluorharzes, das einen ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, und eines zweiten Fluorharzes, das einen zweiten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, der sich von einem ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser unterscheidet, und
Walzen des gekneteten Materials, um das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz zu zerfasern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Gasdiffusionsschicht, die eine hervorragende mechanische Festigkeit aufweist, und eine Membran-Elektroden-Baugruppe und eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Gasdiffusionsschicht verwendet.
Zusätzliche Nutzen und Vorteile der offenbarten Ausführungsformen gehen aus der Beschreibung und den Figuren hervor. Die Nutzen und/oder Vorteile können einzeln durch die verschiedenen Ausführungsformen und Merkmale der Offenbarung der Beschreibung und der Zeichnungen bereitgestellt werden, und müssen nicht alle bereitgestellt werden, um einen oder mehrere davon zu erhalten.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung von nicht einschränkenden und beispielhaften Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht verständlich, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und in denen:

1 eine Ansicht einer Skizze ist, die eine Ausgestaltung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 eine Querschnittsansicht einer Skizze ist, die eine Ausgestaltung einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3A eine schematische Ansicht einer Skizze einer Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
3B eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
4A eine schematische Ansicht einer Skizze der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
4B eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
5A eine schematische Ansicht einer Skizze der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
5B eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht eines Querschnitts der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
6 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7 Tabelle 1 ist, die Rohmaterialbedingungen und Bewertungsergebnisse in den Beispielen 1 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Gasdiffusionsschicht gemäß einem ersten Aspekt umfasst:

Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines zweiten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt der erste durchschnittliche Faserdurchmesser 10 nm oder größer und 100 nm oder kleiner sein, und der zweite durchschnittliche Faserdurchmesser kann 0,5 µm oder größer und 50 µm oder kleiner sein.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines dritten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt ein Anteil der zweiten Faser an dem gesamten Fluorharz 10 Ma% oder höher und 90 Ma% oder niedriger sein.
Ferner kann eine Gasdiffusionsschicht eines vierten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt ferner eine leitfähige Faser umfassen.
Ferner kann eine Gasdiffusionsschicht eines fünften Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt ein Fluorharz in Partikelform umfassen.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines sechsten Aspektes in dem fünften Gesichtspunkt ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Fluorharzes in Partikelform 0,1 µm oder größer und 10 µm oder kleiner sein.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines siebten Aspektes in dem fünften Gesichtspunkt ein Anteil des Fluorharzes in Partikelform an einer Gesamtheit des Fluorharzes 1 Ma% oder höher und 50 Ma% oder niedriger sein.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines achten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt die Gasdiffusionsschicht eine poröse Struktur aufweisen, die das leitfähige Partikel und das Fluorharz umfasst.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines neunten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt eine Zugbruchfestigkeit der Gasdiffusionsschicht 0,20 N/mm² oder höher betragen.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines zehnten Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt die Gasdiffusionsschicht ein selbsttragender Film sein, der durch das leitfähige Partikel und das Fluorharz getragen wird.
Ferner kann in einer Gasdiffusionsschicht eines elften Aspektes in dem ersten Gesichtspunkt das Fluorharz Polytetrafluorethylen (PTFE) umfassen.
Eine Membran-Elektroden-Baugruppe des zwölften Aspektes umfasst:

die Gasdiffusionsschicht des ersten Gesichtspunkts;
ein Paar Elektroden; und
eine Elektrolytmembran.

Eine Brennstoffzelle des dreizehnten Aspektes umfasst:

die Gasdiffusionsschicht des ersten Gesichtspunkts; und
eine Stromkollektorplatte.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht des vierzehnten Aspektes umfasst:

Ferner kann als ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht des fünfzehnten Aspektes in dem vierzehnten Gesichtspunkt der erste durchschnittliche Partikeldurchmesser 0,1 µm oder größer und 0,5 µm oder kleiner sein, und der zweite durchschnittliche Partikeldurchmesser kann 1 µm oder größer und 1000 µm oder kleiner sein.
Die Gasdiffusionsschicht, die Membran-Elektroden-Baugruppe, die Brennstoffzelle und das Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden im Wesentlichen identischen Elementen identische Bezugszeichen gegeben.
(Erste Ausführungsform)
Eine Basisausgestaltung einer Brennstoffzelle 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine Ansicht einer Skizze, die die Ausgestaltung der Brennstoffzelle (nachfolgend auch als „Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel“ bezeichnet) 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Die erste Ausführungsform ist nicht auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle beschränkt und kann auf verschiedene Brennstoffzellen angewandt werden.
<Brennstoffzelle>
Wie in 1 gezeigt, wird die Brennstoffzelle 100 durch Laminieren einer oder mehrerer Batteriezellen 10, die Grundeinheiten sind, und ihr Zusammendrücken und Befestigen mit einer vorbestimmten Last unter Verwendung der Stromkollektorplatten 11, Isolierplatten 12 und Endplatten 13 gebildet, die auf beiden Seiten der laminierten Batteriezellen 10 angeordnet sind.
Die Stromkollektorplatte 11 besteht aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material. Zum Beispiel wird für die Stromkollektorplatte 11 Kupfer, Messing oder dergleichen verwendet. Die Stromkollektorplatte 11 ist mit einem Strombezugsanschluss (nicht veranschaulicht) versehen und Strom wird während der Stromerzeugung von dem Strombezugsanschluss bezogen.
Die Isolierplatte 12 besteht aus einem Isoliermaterial, wie beispielsweise Harz. Zum Beispiel wird ein Fluorpolymer, ein PPS-Harz oder dergleichen für die Isolierplatte 12 verwendet.
Die Endplatte 13 befestigt und hält eine oder mehrere laminierte Batteriezellen 10, die Stromkollektorplatte 11 und die Isolierplatte 12 durch ein Druckbeaufschlagungsmittel (nicht veranschaulicht) mit einer vorbestimmten Last. Für die Endplatte 13 wird ein in hohem Maße starres Metallmaterial, wie beispielsweise Stahl, verwendet.
<Batteriezelle>
2 ist eine Querschnittsansicht einer Skizze, die die Ausgestaltung der Batteriezelle 10 zeigt. In der Batteriezelle 10 ist die Membran-Elektroden-Baugruppe (nachfolgend auch als MEA bezeichnet) 20 zwischen einem Separator 4a auf der Anodenseite und einem Separator 4b auf der Kathodenseite eingeschoben. Nachfolgend werden der Separator 4a auf der Anodenseite und der Separator 4b auf der Kathodenseite gemeinsam als der Separator 4 bezeichnet. Wenn eine Vielzahl von Bauelementen gemeinsam beschrieben werden, wird für andere Bauelemente eine ähnliche Beschreibung abgegeben.
In dem Separator 4 ist ein Fluidströmungsweg 5 gebildet. Der Fluidströmungsweg 5 für Brenngas ist in dem Separator 4a auf der Anodenseite gebildet. Der Fluidströmungsweg 5 für Sauerstoffträgergas ist in dem Separator 4b auf der Kathodenseite gebildet. Für den Separator 4 können ein Material auf Kohlenstoffbasis und ein Material auf Metallbasis verwendet werden.
Der Fluidströmungsweg 5 ist ein in dem Separator 4 gebildeter Rillenabschnitt. In der Umgebung des Fluidströmungswegs 5 ist ein Rippenabschnitt 6 bereitgestellt.
<Membran-Elektroden-Baugruppe: MEA>
Die Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA) 20 weist eine Polymerelektrolytmembran 1, eine Katalysatorschicht 2 und eine Gasdiffusionsschicht 3 auf. Eine Anodenkatalysatorschicht 2a und eine Kathodenkatalysatorschicht 2b (gemeinsam als Katalysatorschicht 2 bezeichnet) sind auf beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 1 gebildet, um selektiv Wasserstoffionen zu transportieren, und eine Gasdiffusionsschicht 3a auf der Anodenseite und eine Gasdiffusionsschicht 3b auf der Kathodenseite (gemeinsam die Gasdiffusionsschicht 3) sind jeweils auf der Außenseite davon angeordnet.
Für die Polymerelektrolytmembran 1 wird zum Beispiel ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Polymer verwendet, sie ist aber nicht auf besondere Weise beschränkt, solange sie Protonenleitfähigkeit aufweist.
Für die Katalysatorschicht 2 können eine Schicht, die ein Kohlenstoffmaterial umfasst, das ein Katalysatorpartikel trägt, wie beispielsweise Platin, und ein Polymerelektrolyt verwendet werden.
<Gasdiffusionsschicht>
Als Nächstes wird die Struktur der Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben.
3A ist eine schematische Ansicht einer Skizze einer porösen Struktur 30, die die Gasdiffusionsschicht 3 bildet. 3B ist eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht der porösen Struktur 30, die die Gasdiffusionsschicht 3 bildet. Die poröse Struktur 30 umfasst ein leitfähiges Partikel 31 und ein Fluorharz 32. Das heißt, die Gasdiffusionsschicht 3 umfasst das leitfähige Partikel 31 und das Fluorharz 32. In der ersten Ausführungsform umfasst die Gasdiffusionsschicht 3, wie in 3A gezeigt, die poröse Struktur 30. Die Gasdiffusionsschicht 3 ist zum Beispiel ein selbsttragender Film, der von dem leitfähigen Partikel 31 und dem Fluorharz 32 getragen wird.
<Leitfähiges Partikel>
Beispiele für das leitfähige Partikel 31 umfassen Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Ruß, Graphit und Aktivkohle. Das leitfähige Partikel 31 umfasst zum Beispiel Ruß, der eine hohe Leitfähigkeit und einen kleinen Primärpartikeldurchmesser aufweist. Beispiele für Ruß, der für das leitfähige Partikel 31 verwendet wird, umfassen Acetylenruß, Ketjenblack, Ofenruß und Vulcan. Insbesondere umfasst das leitfähige Partikel 31 zum Beispiel ein beliebiges von Acetylenruß mit einer geringen Menge an Verunreinigungen und Ketjenblack mit einer großen spezifischen Oberfläche und hoher Leitfähigkeit.
<Fluorharz>
Wie in 3B gezeigt, umfasst das Fluorharz 32 Fluorharzfasern, die unterschiedliche durchschnittliche Faserdurchmesser aufweisen, die eine Fluorharzfaser (nachfolgend auch als „erste Faser“ bezeichnet) 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, und eine Fluorharzfaser (nachfolgend auch als „zweite Faser“ bezeichnet) 32-f2 sind, die einen großen Faserdurchmesser aufweist. Da das Fluorharz 32 Fluorharzfasern umfasst, die unterschiedliche Faserdurchmesser aufweisen, die die erste Faser 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, und die zweite Faser 32-f2 sind, die einen großen Faserdurchmesser aufweist, weist die Gasdiffusionsschicht 3 eine hervorragende mechanische Festigkeit auf. Es wird erachtet, dass dies so ist, weil die erste Faser 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, das leitfähige Partikel 31 bindet und derart wirkt, dass sie verhindert, dass das leitfähige Partikel 31 von der porösen Struktur 30 abfällt, und die zweite Faser 32-f2, die einen großen Faserdurchmesser aufweist, zur Verbesserung der Festigkeit der porösen Struktur 30 selbst beiträgt.
Beispiele für das Material des Fluorharzes 32 umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE weist eine Eigenschaft auf, dass es faserig wird, wenn Scherkraft angewandt wird. In einem Misch-/Dispergierungsschritt und einem Schritt zur Bildung einer dünnen Schicht bei der Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 wird eine Scherkraft auf PTFE als ein Material angewandt, wodurch das PTFE faserig wird. An diesem Zeitpunkt wird als eine Rohmaterialform von PTFE die PTFE-Dispersion, die einen kleinen Partikeldurchmesser aufweist, die erste Faser 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, und das PTFE-Pulver, das einen großen Partikeldurchmesser aufweist, wird die zweite Faser 32-f2, die einen großen Faserdurchmesser aufweist. So ermöglicht die Verwendung von PTFE das einfache Bilden der ersten Faser 32-f1 und der zweiten Faser 32-f2 im Inneren der Gasdiffusionsschicht 3 (poröse Struktur 30). Das Material des Fluorharzes 32 ist indes nicht auf PTFE beschränkt und es ist lediglich erforderlich, ein Fluorharz zu verwenden, das in der Lage ist, die erste Faser und die zweite Faser zu bilden. Als die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 kann der gleiche Typ von Fluorharz verwendet werden oder es können verschiedene Typen von Fluorharz verwendet werden. Aus dem Gesichtspunkt der Erleichterung der Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 können die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 der gleiche Typ von Fluorharz sein. Es ist möglich, als die erste Faser 32-f1 nur einen Typ von Fluorharz zu verwenden, oder es können zwei oder mehr Typen von verschiedenen Fluorharzen in Kombination verwendet werden. Auf ähnliche Weise ist es möglich, als die zweite Faser 32-f2 nur einen Typ von Fluorharz zu verwenden, oder es können zwei oder mehr Typen von verschiedenen Fluorharzen in Kombination verwendet werden.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser (erster durchschnittlicher Faserdurchmesser) der ersten Faser 32-f1 beträgt zum Beispiel 10 nm oder größer und 100 nm oder kleiner. Der erste durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt 10 nm oder größer, wodurch die Bindungskraft zwischen den leitfähigen Partikeln 31 aneinander stärker wird und die Wahrscheinlichkeit, dass die leitfähigen Partikel 31 abfallen, geringer wird. Der erste durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt 100 nm oder kleiner, wodurch die erste Faser sich günstiger an das leitfähige Partikel 31 binden kann und somit wird die Wahrscheinlichkeit, dass die gebundenen leitfähigen Partikel abfallen, geringer.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser (zweiter durchschnittlicher Faserdurchmesser) der zweiten Faser beträgt zum Beispiel 0,5 µm oder größer und 50 µm oder kleiner. Der zweite durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt 0,5 µm oder größer, wodurch die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 ausreichender verbessert werden kann. Der zweite durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt 50 µm oder kleiner, wodurch die Anzahl von Fasern, die in der Gasdiffusionsschicht 3 enthalten sind, einfach gesichert werden kann und die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht wirksamer verbessert werden kann.
<Gehalt an leitfähigem Partikel und Fluorharz in der Gasdiffusionsschicht>
Der Anteil des leitfähigen Partikels 31 an der gesamten Gasdiffusionsschicht 3 beträgt zum Beispiel 60 Ma% oder höher und 95 Ma% oder niedriger. Der Anteil des leitfähigen Partikels 31 beträgt 60 Ma% oder höher, wodurch das leitfähige Partikel 31 ausreichend in der Gasdiffusionsschicht 3 vorhanden sein kann und die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann. Der Anteil des leitfähigen Partikels 31 beträgt 95 Ma% oder niedriger, wodurch das leitfähige Partikel 31 ausreichend durch das Fluorharz 32 gebunden werden kann und die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 durch das Fluorharz 32 weiter verbessert wird.
Der Anteil des Fluorharzes 32 an der gesamten Gasdiffusionsschicht 3 beträgt zum Beispiel 5 Ma% oder höher und 40 Ma% oder niedriger. Der Anteil des Fluorharzes 32 beträgt 5 Ma% oder höher, wodurch die Funktion der Bindung der leitfähigen Partikel 31 aneinander weiter verbessert wird und die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert wird. Der Anteil des Fluorharzes 32 beträgt 40 Ma% oder niedriger, wodurch die leitfähigen Partikel 31 ausreichend in der Gasdiffusionsschicht 3 vorhanden sind, und so ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 vermindert wird, geringer.
Der Anteil der zweiten Faser 32-f2 an dem gesamten Fluorharz 32 beträgt zum Beispiel 10 Ma% oder höher und 90 Ma% oder niedriger. Der Anteil der Fluorharzfaser 32-f2, die einen großen durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, die in dem Fluorharz 32 enthalten ist, beträgt 10 Ma% oder höher, wodurch die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann. Der Anteil des Fluorharzes 32-f2, der einen großen durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, beträgt 90 Ma% oder niedriger, wodurch die leitfähigen Partikel 31 ausreichend aneinander gebunden werden können, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die leitfähigen Partikel 31 abfallen, niedriger wird und die Haltbarkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert wird.
<Leitfähige Faser>
Die Gasdiffusionsschicht 3 kann ferner eine leitfähige Faser 33 umfassen. Das heißt, die poröse Struktur 30, die die Gasdiffusionsschicht 3 bildet, kann ferner die leitfähige Faser 33 umfassen. 4A zeigt eine schematische Ansicht einer Skizze der porösen Struktur 30, die die leitfähige Faser 33 umfasst, und 4B zeigt eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht der porösen Struktur 30 von 4A. Die Gasdiffusionsschicht 3 umfasst die leitfähige Faser 33, wodurch die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 verbessert wird, sowie das Gasdiffusionsvermögen verbessert werden kann und die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann.
Wenn die poröse Struktur 30 die leitfähige Faser 33 umfasst, wie in 4B gezeigt, binden die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 nicht nur die leitfähigen Partikel 31 aneinander, sondern wirken auch als ein Bindemittel, das die leitfähigen Fasern 33 aneinander bindet. Daher wird, sogar wenn die Gasdiffusionsschicht 3 die leitfähige Faser 33 umfasst, die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 durch die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 verbessert. Darüber hinaus trägt die leitfähige Faser 33, da sie auch faserig ist, zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 bei.
Das Material der leitfähigen Faser 33 ist nicht auf besondere Weise beschränkt, sondern es können zum Beispiel Fasern, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, verwendet werden.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser der leitfähigen Faser 33 beträgt zum Beispiel 50 nm oder größer und 300 nm oder kleiner. Der durchschnittliche Faserdurchmesser der leitfähigen Faser 33 beträgt 50 nm oder größer, wodurch sie wirksamer zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 beiträgt und die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser der leitfähigen Faser 33 beträgt 300 nm oder kleiner, wodurch der Durchmesser nicht zu groß wird, somit kann das Porenvolumen in der porösen Struktur 30 einfach ausreichend gesichert werden und kann das Gasdiffusionsvermögen der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden.
Die durchschnittliche Faserlänge der leitfähigen Faser 33 beträgt zum Beispiel 1 µm oder größer und 50 µm oder kleiner. Die durchschnittliche Faserlänge der leitfähigen Faser 33 beträgt 1 µm oder größer, wodurch sie wirksamer zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 beiträgt und die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann. Die durchschnittliche Faserlänge der leitfähigen Faser 33 beträgt 50 µm oder kleiner, wodurch die Faser nicht zu lang wird, somit kann das Porenvolumen in der porösen Struktur 30 einfach ausreichend gesichert werden und das Gasdiffusionsvermögen der Gasdiffusionsschicht 3 kann weiter verbessert werden.
<Wenn die leitfähige Faser enthalten ist: Gehalt an leitfähigem Partikel, leitfähiger Faser und Fluorharz in der Gasdiffusionsschicht>
Wenn die Gasdiffusionsschicht 3 die leitfähige Faser 33 umfasst, beträgt der Anteil des leitfähigen Partikels 31 an der gesamten Gasdiffusionsschicht 3 zum Beispiel 5 Ma% oder höher. Der Anteil des leitfähigen Partikels 31 beträgt 5 Ma% oder höher, wodurch ausreichend leitfähige Partikel 31 in der Gasdiffusionsschicht 3 vorhanden sind und die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden kann.
Wenn die Gasdiffusionsschicht 3 die leitfähige Faser 33 umfasst, beträgt der Anteil der leitfähigen Faser 33 an der gesamten Gasdiffusionsschicht 3 zum Beispiel 90 Ma% oder niedriger. Der Anteil der leitfähigen Faser 33 beträgt 90 Ma% oder niedriger, wodurch die leitfähige Faser 33 günstiger durch das Fluorharz 32 gebunden werden kann, und somit kann die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 weiter verbessert werden.
Wenn die Gasdiffusionsschicht 3 die leitfähige Faser 33 umfasst, beträgt der Anteil des Fluorharzes 32 an der gesamten Gasdiffusionsschicht 3 zum Beispiel 5 Ma% oder höher und 40 Ma% oder niedriger. Der Anteil des Fluorharzes 32 beträgt 5 Ma% oder höher, wodurch die leitfähigen Partikel 31 günstiger aneinander gebunden werden können und die leitfähigen Fasern 33 günstiger aneinander gebunden werden können, und die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 kann weiter verbessert werden. Der Anteil des Fluorharzes 32 beträgt 40 Ma% oder niedriger, wodurch der Anteil des leitfähigen Partikels 31 und der leitfähigen Faser 33 in der Gasdiffusionsschicht 3 ausreichend gesichert werden kann, und somit kann die Gasdiffusionsschicht 3 eine ausgezeichnetere Leitfähigkeit aufweisen. Es sei erwähnt, dass der Anteil der zweiten Faser 32-f2 an dem gesamten Fluorharz 32 zum Beispiel 10 Ma% oder höher und 90 Ma% oder niedriger beträgt.
<Fluorharzpartikel>
Die Gasdiffusionsschicht 3 kann ferner ein Fluorharz in Partikelform (nachfolgend auch als „Fluorharzpartikel“ bezeichnet) 32-p umfassen. Das heißt, die poröse Struktur 30, die die Gasdiffusionsschicht 3 bildet, kann ferner das Fluorharz 32-p in Partikelform umfassen. Mit anderen Worten, das Fluorharz 32 kann das Fluorharz 32-p in Partikelform zusätzlich zur ersten Faser 32-f1 und zur zweiten Faser 32-f2 umfassen. 5A zeigt eine schematische Ansicht einer Skizze der porösen Struktur 30, die das Fluorharzpartikel 32-p umfasst, und 5B zeigt eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht der porösen Struktur 30 von 5A. Es sei erwähnt, dass 5A und 5B einen Gesichtspunkt zeigen, in dem die poröse Struktur 30 das leitfähige Partikel 31, die erste Faser 32-f1, die zweite Faser 32-f2, die leitfähige Faser 33 und das Fluorharzpartikel 32-p umfasst. Die vorliegende Offenbarung ist indes nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die poröse Struktur 30 das leitfähige Partikel 31, die erste Faser 32-f1, die zweite Faser 32-f2 und das Fluorharzpartikel 32-p umfassen und es ist möglich, dass sie nicht die leitfähige Faser 33 umfasst.
Wenn die Gasdiffusionsschicht 3 das Fluorharzpartikel 32-p umfasst, weist die Gasdiffusionsschicht 3 das Fluorharz 32-p in Partikelform, das als ein Partikel bleibt, zusätzlich zu der ersten Faser 32-f1, die die leitfähigen Partikel 31 aneinander und die leitfähigen Fasern 33 aneinander bindet, um zu verhindern, dass sie abfallen, und zu der zweiten Faser 32-f2, die die Festigkeit verbessert, auf. Da das Fluorharzpartikel 32-p in der Nachbarschaft des Partikels ein höheres Wasserabweisungsvermögen aufweist als dies bei den faserigen Fluorharzen 32-f1 und 32-f2 der Fall ist, ist es möglich, zu verhindern, dass Wasser in den Poren, die im Inneren der Gasdiffusionsschicht 3 vorhanden sind, zurückgehalten wird und die Gaspermeation behindert.
Das Material des Fluorharzpartikels 32-p ist nicht auf besondere Weise beschränkt und es kann der gleiche Typ von Fluorharz wie eine beliebige oder beide von der ersten Faser 32-f1 und der zweiten Faser 32-f2 verwendet werden, oder es können unterschiedliche Typen von Fluorharz verwendet werden. Aus dem Gesichtspunkt der Erleichterung der Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 können die erste Faser 32-f1, die zweite Faser 32-f2 und das Fluorharzpartikel 32-p der gleiche Typ von Fluorharz sein. Es ist möglich, als die Fluorharzpartikel 32-p nur einen Typ von Fluorharz zu verwenden, oder es können zwei oder mehr Typen von verschiedenen Fluorharzen in Kombination verwendet werden.
Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Fluorharzpartikels 32-p beträgt zum Beispiel 0,1 µm oder größer und 10 µm oder kleiner. Sowohl der kurze Durchmesser als auch der lange Durchmesser des Fluorharzpartikels 32-p liegen zum Beispiel in dem Bereich von 0,1 µm oder größer und 10 µm oder kleiner. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Fluorharzpartikels 32-p beträgt 0,1 µm oder größer, wodurch die Herstellbarkeit einfach wird. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Fluorharzpartikels 32-p beträgt 10 µm oder kleiner, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Leitfähigkeit abnimmt, geringer wird und somit die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 verbessert werden kann.
Der Anteil des Fluorharzes in Partikelform 32-p an dem gesamten Fluorharz 32 beträgt zum Beispiel 1 Ma% oder höher und 50 Ma% oder niedriger. Der Anteil des Fluorharzpartikels 32-p beträgt 1 Ma% oder höher, wodurch das Wasserabweisungsvermögen in der Gasdiffusionsschicht 3 günstig erhöht werden kann, und somit ist es möglich, zu verhindern, dass die Gaspermeabilität aufgrund des Zurückhaltens von Wasser vermindert wird. Der Anteil des Fluorharzpartikels 32-p beträgt 50 Ma% oder niedriger, wodurch die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 ausreichend in der Gasdiffusionsschicht 3 vorhanden sind. Es ist möglich, die leitfähigen Partikel 31 günstiger aneinander und die leitfähigen Fasern 33 aneinander zu binden, und es ist möglich, die mechanische Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 zu verbessern.
Die Zugbruchfestigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 beträgt zum Beispiel 0,20 N/mm² oder höher. Die Zugbruchfestigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 beträgt 0,20 N/mm² oder höher, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Gasdiffusionsschicht 3 beim Quellen-Schrumpfen der Polymerelektrolytmembran 1 bricht, geringer wird, der Gasdruck und das Abführen des erzeugten Wassers und die Haltbarkeit der MEA 20 können weiter verbessert werden. Eine solche Zugbruchfestigkeit kann erreicht werden, wenn die Gasdiffusionsschicht 3 die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 umfasst.
<Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht>
Als Nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Kneten des leitfähigen Partikels 31, eines ersten Fluorharzes, das einen ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, und eines zweiten Fluorharzes, das einen zweiten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, der sich von dem ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser unterscheidet, und das Walzen des gekneteten Materials, um das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz zu zerfasern. Das erste Fluorharz wird zerfasert, um die erste Faser 32-f1 zu bilden. Das zweite Fluorharz wird zerfasert, um die zweite Faser 32-f2 zu bilden. Dies macht es möglich, die Gasdiffusionsschicht 3 zu erhalten, die die erste Faser 32-f1 und die zweite Faser 32-f2 umfasst, die unterschiedliche durchschnittliche Faserdurchmesser aufweisen.
Das Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der ersten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 6 im Detail beschrieben. 6 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3. Das Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf das in dem Ablaufdiagramm von 6 und das nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren beschränkt und kann innerhalb eines Bereichs geändert werden, der nicht vom Hauptpunkt der vorliegenden Offenbarung abweicht.

(1) In Schritt S1 werden das leitfähige Partikel 31, das erste Fluorharz, das zweite Fluorharz, ein Tensid und ein Dispersionslösungsmittel geknetet. Zuerst werden das leitfähige Partikel 31, wie beispielsweise Kohlenstoffmaterial, die leitfähige Faser 33, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhre, wo erforderlich, das Tensid und das Dispersionslösungsmittel gegossen, bewegt und geknetet. Danach werden das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz erneut gegossen und bewegt und geknetet, um ein geknetetes Material zu erhalten.

Als das erste Fluorharz kann ein beliebiges Material verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Dispersion von Fluorharz verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine PTFE-Dispersion verwendet.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser des ersten Fluorharzes (nachfolgend auch als der erste durchschnittliche Partikeldurchmesser bezeichnet) beträgt zum Beispiel 0,1 µm oder größer und 0,5 µm oder kleiner. In diesem Fall wird das erste Fluorharz in dem Walzschritt, der nachfolgend beschrieben wird, in die erste Faser 32-f1 zerfasert, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist.
Als das zweite Fluorharz kann ein beliebiges Material verwendet werden. Zum Beispiel kann Fluorharzpulver verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein feines PTFE-Pulver verwendet.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser des zweiten Fluorharzes (nachfolgend auch als der zweite durchschnittliche Partikeldurchmesser bezeichnet) beträgt zum Beispiel 1 µm oder größer und 1000 µm oder kleiner. In diesem Fall wird das zweite Fluorharz in dem Walzschritt, der nachfolgend beschrieben wird, in die zweite Faser 32-f2 zerfasert, die einen großen Faserdurchmesser aufweist.
Zum Beispiel können für das Kneten der Materialien in Schritt S1 ein Planetenrührwerk, ein Dreh/Umlaufrührwerk, ein Kneter, eine Mühlenwalze und dergleichen verwendet werden. In Schritt S1, der der Knetschritt ist, werden das leitfähige Partikel 31, die leitfähige Faser 33, das Tensid und das Dispersionslösungsmittel zuerst geknetet und dispergiert und dann werden das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz gegossen und bewegt, wodurch das Fluorharz 32 in einen Zustand gebracht werden kann, in dem es gleichförmig in dem gekneteten Material dispergiert ist.
(2) In Schritt S2 wird das geknetete Material in die Form einer dünnen Schicht gewalzt. Zum Beispiel kann für das Walzen in Schritt S2 eine Walzenmühle verwendet werden. Zum Beispiel werden das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz durch Anwenden von Scherkraft durch ein- oder mehrmaliges Durchführen von Walzen mit dem Druck von 0,001 Tonne/cm oder höher und 4 Tonne/cm oder niedriger als die Walzbedingung zerfasert. An diesem Zeitpunkt wird, wie vorhergehend erwähnt, die Fluorharzdispersion, die einen kleinen durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, die erste Faser 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, und das Fluorharzpulver, das einen großen durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, wird die zweite Faser 32-f2, die einen großen Faserdurchmesser aufweist. So werden die Fluorharzfaser 32-f1, die einen kleinen Faserdurchmesser aufweist, und die Fluorharzfaser 32-f2, die einen großen Faserdurchmesser aufweist, im Inneren der Gasdiffusionsschicht 3 (poröse Struktur 30) gebildet. Durch Anpassen des Drucks und der Anzahl von Malen, die das geknetete Material gewalzt wird, wird ein Teil des ersten Fluorharzes in der Fluorharzdispersion nicht zerfasert und bleibt als das Fluorharzpartikel 32-p bestehen.
(3) In Schritt S3 wird das geknetete Material in die Form einer dünnen Schicht gewalzt, um das Tensid und das Dispersionslösungsmittel von dem gekneteten Material zu entfernen.
Beim Brennen in Schritt S3 können ein Infrarotofen, ein Heißluft-Trockenofen oder dergleichen verwendet werden. Die Brenntemperatur wird höher als die Temperatur, bei der das Tensid zerfällt, und niedriger als die Temperatur eingestellt, bei der das Fluorharz 32 schmilzt. Der Grund ist der folgende. Wenn die Brenntemperatur niedriger ist als die Temperatur, bei der das Tensid zerfällt, bleibt das Tensid im Inneren der Gasdiffusionsschicht 3 und es besteht die Neigung, dass Wasser gehalten wird, da das Innere der Gasdiffusionsschicht 3 hydrophil wird, und somit besteht eine Gefahr, dass die Gaspermeabilität der Gasdiffusionsschicht 3 vermindert wird. Wenn hingegen die Brenntemperatur höher als der Schmelzpunkt des Fluorharzes 32 ist, schmilzt das Fluorharz 32 und somit besteht eine Gefahr, dass die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht 3 vermindert wird. Insbesondere beträgt, wenn PTFE als das Fluorharz 32 verwendet wird, die Brenntemperatur zum Beispiel 280 °C oder höher und 340 °C oder niedriger.
(4) In Schritt S4 wird das geknetete Material in der Form einer dünnen Schicht, von dem das Tensid und das Dispersionslösungsmittel entfernt wurden, erneut durch eine Walzenpressmaschine gewalzt, um die Dicke anzupassen. So kann die Gasdiffusionsschicht 3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Zum Beispiel kann für das erneute Walzen in Schritt S4 eine Walzenpressmaschine verwendet werden. Zum Beispiel können die Dicke und Porosität der Gasdiffusionsschicht 3 durch ein- oder mehrmaliges Durchführen von erneutem Walzen mit dem Druck von 0,01 Tonne/cm oder höher und 4 Tonne/cm oder niedriger als die Walzenpressbedingung angepasst werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorhergehende Ausführungsform beschränkt, sondern kann in verschiedenen anderen Gesichtspunkten implementiert werden.
[Beispiele]
Beispiele für die vorliegende Offenbarung werden nachfolgend beschrieben. Es wurden die folgenden Materialien verwendet und die Bewertungen wurden auf die folgende Weise durchgeführt.
[Leitfähiges Partikel 31] Acetylenruß (Acetylene Black, nachfolgend AB) (Denka Black Powder, hergestellt von Denki Kagaku Kogyo), Ketjenblack (nachfolgend KB) (ECP300, hergestellt von Lion)
[Leitfähige Faser 33] VGCF (VGCF-H, hergestellt von Showa Denko)
[Fluorharzdispersion] PTFE-Dispersion (hergestellt von Daikin), durchschnittlicher Partikeldurchmesser 0,25 µm
[Fluorharzpulver] feines PTFE-Pulver (hergestellt von Daikin), durchschnittlicher Partikeldurchmesser 550 µm
(Herstellung der Gasdiffusionsschicht der Beispiele und Vergleichsbeispiele)
Die Gasdiffusionsschichten der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden hergestellt wie folgt. Zuerst wurden das leitfähige Partikel, die leitfähige Faser, das Tensid und das Dispersionslösungsmittel in dem Verhältnis gemischt, das in der Spalte Rohmaterial von Tabelle 1 gezeigt ist, und dann unter Verwendung eines Planetenrührwerks geknetet. Als Nächstes wurden Fluorharzdispersion (erstes Fluorharz) und Fluorharzpulver (zweites Fluorharz) dem gekneteten Material im in der Spalte Rohmaterial von Tabelle 1 gezeigten Verhältnis beigemengt und unter Verwendung des Planetenrührwerks weiter geknetet. Das geknetete Material wurde dann fünf Mal unter Verwendung einer Mühlenwalze unter einer Walzbedingung von 0,1 Tonne/cm gewalzt. Danach wurde die gewalzte dünne Schicht in dem Infrarotofen platziert und während 0,5 Stunde bei 300 °C gebrannt. Die gebrannte dünne Schicht wurde drei Mal unter Verwendung einer Walzenpressmaschine unter einer Walzbedingung von 1 Tonne/cm erneut gewalzt und es wurde eine Gasdiffusionsschicht mit einer Dicke von 100 µm erhalten.
(Bewertungstest)
In den Beispielen 1 bis 8 der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden der durchschnittliche Faserdurchmesser der PTFE-Fasern (erste Fasern) 32-f1, die im Querschnitt der Gasdiffusionsschicht einen kleinen Faserdurchmesser aufweisen, der durchschnittliche Faserdurchmesser der PTFE-Fasern (zweite Fasern) 32-f2, die im Querschnitt der Gasdiffusionsschicht einen großen Faserdurchmesser aufweisen, der durchschnittliche Partikeldurchmesser der PTFE-Partikel (Fluorharzpartikel) 32-p im Querschnitt der Gasdiffusionsschicht, die Zugbruchfestigkeit der Gasdiffusionsschicht und der Kontaktwinkel der Gasdiffusionsschicht gemessen. Die Rohmaterialbedingungen und Bewertungsergebnisse in den Beispielen 1 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 sind in Tabelle 1 in 7 gezeigt.
Die durchschnittlichen Faserdurchmesser der ersten Fasern 32-f1 und der zweiten Fasern 32-f2 wurden durch das folgende Verfahren gemessen. Zuerst wurde die Gasdiffusionsschicht geschnitten, der Querschnitt wurde durch Ionenätzen poliert und dann wurde der Querschnitt durch SEM oder ein optisches Mikroskop fotografiert. Als Nächstes wurden in der Querschnittsfotografie die Faserdurchmesser der ersten Fasern 32-f1 und der zweiten Fasern 32-f2 gemessen und es wurde ein Durchschnittswert durch den Zahlendurchschnitt berechnet.
Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Fluorharzpartikel 32-p wurde durch Messen des Partikeldurchmessers der Fluorharzpartikel in der Querschnittsfotografie, die durch das vorhergehend beschriebene Verfahren aufgenommen wurde, und Berechnen des Durchschnittswerts durch den Zahlendurchschnitt erhalten.
Was die Zugbruchfestigkeit betrifft, so wurde die Gasdiffusionsschicht von einem Hantelprüfkörper (Hantelform Nr. 4), der durch JIS K6251 spezifiziert ist, unter Verwendung eines Thomson-Werkzeugs ausgestanzt und die Zugbruchfestigkeit wurde durch eine Zug- und Drucktestmaschine (SVZ-200NB, hergestellt von Imada SS) gemessen.
Was den Kontaktwinkel betrifft, so wurde ein statischer Kontaktwinkel in Bezug auf Reinwasser unter Verwendung eines tragbaren Kontaktwinkelmessers (PG-X, hergestellt von Matsubo) gemessen.
Tabelle 1 in 7 gibt an, dass die Gasdiffusionsschicht der Beispiele 1 bis 8, die sowohl die erste Faser 32-f1 als auch die zweite Faser 32-f2 umfasst, eine höhere Zugbruchfestigkeit als diejenige der Gasdiffusionsschicht der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 aufweist, die keine zweite Faser umfasst.
Die vorliegende Offenbarung umfasst eine Kombination einer/eines beliebigen Ausführungsform und/oder Beispiels der/für die verschiedenen vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen und/oder Beispiele, wie jeweils anwendbar, und kann die Wirkung von jeder/jedem der Ausführungsformen und/oder Beispiele erreichen.
Die Gasdiffusionsschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung ist besonders nützlich als ein Element, das in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und kann auf Anwendungen, wie beispielsweise ein Haus-Kraft-Wärme-Kopplungssystem, eine Automobilbrennstoffzelle, eine mobile Brennstoffzelle und eine Reservebrennstoffzelle angewandt werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzelle
1: Polymerelektrolytmembran
2: Katalysatorschicht
2a: Anodenkatalysatorschicht
2b: Kathodenkatalysatorschicht
3: Gasdiffusionsschicht
3a: Gasdiffusionsschicht auf der Anodenseite
3b: Gasdiffusionsschicht auf der Kathodenseite
4: Separator
4a: Separator auf der Anodenseite
4b: Separator auf der Kathodenseite
5: Fluidströmungsweg
6: Rippenabschnitt
10: Batteriezelle
11: Stromkollektorplatte
12: Isolierplatte
13: Endplatte
20: Membran-Elektroden-Baugruppe
30: poröse Struktur
31: leitfähiges Partikel
32: Fluorharz
32-f1: erste Faser
32-f2: zweite Faser
32-p: Fluorharzpartikel
33: leitfähige Faser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020101737 [0001]
JP 4938133 [0007, 0008]

Claims

Gasdiffusionsschicht, die umfasst: ein leitfähiges Partikel; und ein Fluorharz, wobei das Fluorharz eine erste Faser, die einen ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, und eine zweite Faser, die einen zweiten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, umfasst, der sich von dem ersten durchschnittlichen Faserdurchmesser unterscheidet.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei der erste durchschnittliche Faserdurchmesser 10 nm oder größer und 100 nm oder kleiner ist, und der zweite durchschnittliche Faserdurchmesser 0,5 µm oder größer und 50 µm oder kleiner ist.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei ein Anteil der zweiten Faser an dem gesamten Fluorharz 10 Ma% oder höher und 90 Ma% oder niedriger ist.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine leitfähige Faser.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei das Fluorharz ein Fluorharz in Partikelform umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 5, wobei ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Fluorharzes in Partikelform 0,1 µm oder größer und 10 µm oder kleiner beträgt.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 5, wobei ein Anteil des partikelförmigen Fluorharzes an einer Gesamtheit des Fluorharzes 1 Ma% oder höher und 50 Ma% oder niedriger ist.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht eine poröse Struktur aufweist, die das leitfähige Partikel und das Fluorharz umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei eine Zugbruchfestigkeit der Gasdiffusionsschicht 0,20 N/mm² oder höher beträgt.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht ein selbsttragender Film ist, der durch das leitfähige Partikel und das Fluorharz getragen wird.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei das Fluorharz ein Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.
Membran-Elektroden-Baugruppe, die umfasst: die Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1; ein Paar Elektroden; und eine Elektrolytmembran.
Brennstoffzelle, die umfasst: die Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1; und eine Stromkollektorplatte.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, das umfasst: Kneten eines leitfähigen Partikels, eines ersten Fluorharzes, das einen ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, und eines zweiten Fluorharzes, das einen zweiten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist, der sich von dem ersten durchschnittlichen Partikeldurchmesser unterscheidet, und Walzen des gekneteten Materials, um das erste Fluorharz und das zweite Fluorharz zu zerfasern.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 14, wobei der erste durchschnittliche Partikeldurchmesser 0,1 µm oder größer und 0,5 µm oder kleiner ist, und der zweite durchschnittliche Partikeldurchmesser 1 µm oder größer und 1000 µm oder kleiner ist.