TWI398982B - 經改質碳化基材及其製備方法與用途 - Google Patents

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Description

經改質碳化基材及其製備方法與用途
本發明係關於一種碳化基材之改質方法，特別關於一種可用作燃料電池電極之氣體擴散層之改質方法；以及所得經改質碳化基材與其用途。
近年來，由於能源短缺及地球溫室效應等因素，氫供系統之燃料電池(fuel cell)的發展引起人們的注意；蓋燃料電池非但無非充電電池用完即丟所導致之環保上的問題，亦可免除傳統充電電池需進行耗時充電程序的缺點。此外，燃料電池的排放物(例如水)對環境亦無危害。
在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)及直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell，DMFC)因可在低溫下操作，又可產生高電流密度，故被廣泛地應用在車輛、聯合發電系統及各類3C產品(如筆記型電腦、手機等)的電源設備中。
以PEMFC為例，其每一個單電池的主要構件包括膜電極組(membrane－electrode assembly，MEA)及具有氣體流道的雙極板(bipolar plates)。一般而言，MEA係由一質子交換膜(通常為一高分子膜，作為電解質)、分別位於該質子交換膜兩側之兩個觸媒層、及分別置於該兩個觸媒層外側之兩個氣體擴散層(另可稱為「電極氣體擴散層」)所組成。
目前，PEMFC及DMFC大都採用多孔性碳紙或碳布為電極之氣體擴散層之材料。該擴散層除了可使反應氣體通過及作為供電子移動之通道之外，由於其具有輔助水管理(water management)的作用，故能使催化反應中所產生的水順利排除，以避免水氾濫而阻礙氣體的傳輸，進而影響燃料電池之性能。因此，氣體擴散層的水管理能力，係決定燃料電池電性的重要因素之一。
為了避免水氾濫而影響燃料電池之性能，通常會在氣體擴散層之碳基材上做疏水處理，使多餘的水可容易地排出，以延長燃料電池壽命。再者，由於目前使用之碳布及碳紙表面凹凸不平，此會影響到觸媒層上觸媒的反應及效率；是以，除了疏水處理之外，亦有必要對碳布或碳紙之表面進行平整處理。
Taniguchi等人在美國專利第6,083,638號中揭示，將纖維狀碳基材(fibrous carbon substrate)先經氟化樹脂(fluororesin)進行疏水處理後，在360℃下烘乾；接著再用疏水性高分子(hydrophobic polymer)及親水性高分子(hydrophilic polymer)進行處理，而在碳基材上製造出疏水性及親水性的通道。
美國專利第5,561,000號則揭示先在碳布或碳紙上以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)進行疏水處理，然後再於經PTFE疏水處理之碳布或碳紙上塗上一層PTFE與碳之混合物。
Gorman等人則於WO 00/54350中教示改良美國專利第5,561,000號所揭露之技術，進一步處理美國專利第5,561,000號所製得之碳布或碳紙，改變其為具親水性之結構物。
美國專利第6,733,915號揭露利用多孔性碳布或碳紙作為基材，先將碳基材含浸於一氟化物高分子(fluorinated polymer)溶液中進行疏水處理後，再於該經含浸碳基材上塗佈上一層氟化物高分子與碳顆粒的混合物，之後於高溫下進行烘乾而得到經改質碳基材。
美國專利第7,063,913號專利中則揭示，先將多孔性碳基材以疏水性高分子(hydrophobic polymer)進行預處理，再進行乾燥而得到一具疏水性之碳基材；然後，再塗上一層氟碳高分子(fluorocarbon polymer)及碳顆粒之混合物，最後再進行熱處理。
簡言之，先前技術為了得到疏水性氣體擴散層，通常會先對碳基材進行疏水處理以得到具疏水性之碳基材，其後再進行諸如塗佈、含浸或噴灑等方法以對該經疏水處理之碳基材施用疏水性高分子與碳顆粒之混合物，接著於高溫下進行熱處理，從而得到一表面上具有碳顆粒層之疏水性氣體擴散層材料。
本案發明人經研究發現，可以相對簡易之方式提供疏水性碳化基材，得到一具有所欲導電性、疏水性、透氣性及平整性之經改質碳化基材。
本發明之一目的，在於提供一種碳化基材之改質方法，包含：提供一碳化基材；提供一含疏水性高分子與碳材之混合物；將該混合物施用至該碳化基材之至少一面；以及於惰性氣體保護下，熱處理該碳化基材。
本發明之另一目的，在於提供一種經改質碳化基材，包含一碳化基材及一整平層，該整平層係實質上直接地位於該碳化基材之至少一面上。
本發明之又一目的，在於提供一種燃料電池，其特徵在於其至少一電極含有如上所述之經改質碳化基材。
本發明碳化基材之改質方法中所用之碳化基材，係可選自以下群組：碳布、碳紙、及碳氈。進一步言之，任何可用作燃料電池中之氣體擴散層之材料皆可施用於本發明方法，例如Toray公司出產之TGP等級碳紙、Textron USA出產之CPW－003碳織物、Le Carboneloraine出產之TCM 128及TGM 389碳織物、Zoltek出產之Panex PW－03、SGL出產之Sigracet GDL 10AA、Lydell出產之Technimat、及Spectracorp出產之Spectracarb等。或者，可選購市面上之碳化基材(例如銓能科技股份有限公司，型號：FCW1005之碳布)或以已知方式製得之碳化基材(例如美國專利申請案公開第2006/0214320號所揭露方法所獲得之碳纖維紙)，經高溫熱處理處理而提供本發明方法中所用之碳化基材。
於本發明方法中，係直接於碳化基材之至少一表面上施用一含疏水性高分子及碳材之混合物，以於該表面形成一整平層。於此，可用於本發明中之疏水性高分子通常係含有氟碳鍵者，咸信該氟碳鍵可提供所欲之疏水性。舉例言之，該疏水性高分子可選自以下群組：聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚六氟丙烯(polyhexafluoropropylene，PHFP)、六氟丙烯與四氟乙烯之共聚物(copolymers of hexafluoropropylene and tetrafluoro－ethylene，FEP)、四氟乙烯與全氟丙基乙基醚之共聚物(copolymers of tetrafluoroethylene and perfluoropropylvinylether，PFA)、四氟乙烯與全氟甲基乙基醚之共聚物(copolymers of tetrafluoro－ethylene and perfluoromethylvinylether，MFA)、氯三氟乙烯之均聚物(homopolymers of chlorotrifluoroethylene，PCTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚氟乙烯(poly(vinylfluoride)，PVF)、四氟乙烯與乙烯之共聚物(copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene，ETFT)、偏氟乙烯及六氟丙烯及四氟乙烯之共聚物(copolymer of vinylidene fluoride，hexafluoro－propylene,and tetrafluoroethylene，THV)、及其組合；較佳係選自以下群組：PTFE、FEP、PFA、及其組合。
根據本發明，疏水性高分子一般係以溶液形式(如分散液)加以使用。舉例言之，可直接使用由單體進行乳化聚合反應所得之含疏水性高分子之分散液；或者，混合疏水性高分子粉末、溶劑、及界面活性劑而提供一含疏水性高分子之分散液。目前，市面上已有一些疏水性高分子之溶液產品，可直接用於本發明中；例如，杜邦公司之T30 PTFE溶液，Daikin Industries公司生產之NEOFLON FEP ND－20。
除疏水性高分子外，該混合物另包含一碳材，其可使形成於該碳化基材上之整平層具導電性，維持碳化基材固有之導電性能。任何合宜形式之碳材皆可用於本發明，例如粉末碳材、纖維碳材、或其組合。其中，該碳材可為例如(但不限於)：碳黑、石墨、乙炔墨、或其組合。舉例言之(但不限於)，可採用以下粉末碳材：碳黑(如Cabot公司之VuelcanXC－72、Cabot公司之VuelcanXC－72R、及Korea Steel Chemical Corp.之N660)、石墨(人工石墨或天然石墨)、乙炔墨、或其組合；較佳為碳黑。於此，用於本發明之粉末碳材的粒徑一般為10至200奈米，較佳為15至150奈米，最佳為20至200奈米。此外，當採用纖維形式之碳材時，一般係採用長度為5至200毫米之短碳纖維。碳材之用量係視實際需要而定，以疏水性高分子與碳材之總重量計，一般為1至70重量%，較佳為3至20重量%。於根據本發明之一具體實施態樣中，係將碳材添加至疏水性高分子之溶液中，經均勻攪拌後提供所欲之含疏水性高分子與碳材之混合物。
接著，以任何通當之方式將該含疏水性高分子與碳材之混合物施用至碳化基材之至少一表面上。舉例言之，可以選自以下之方式進行該施用：噴灑、網印、塗布、含浸、及其組合。其中，該混合物之施用量係視許多因素而定，例如施用之方式、碳化基材之種類與面積大小、整平層所需厚度、及混合物中之固含量等。舉例言之，相較於碳紙，碳布表面凹凸程度較大，故需要較大的施用量。一般而言，混合物之施用量為每平方公分碳化基材0.1至40毫克。此外，亦可視需要將該混合物施用至碳化基材之兩面，使該碳化基材之兩面皆具改良性質，進一步提高該碳化基材之水管理能力及其電池性能。當施用於碳化基材之兩面時，混合物於各面之施用量亦如上所述，為每平方公分0.1至40毫克。
之後，對該經施用碳材與疏水性高分子之碳化基材於惰性氣體保護下進行熱處理，以燒結該混合物而形成一整平層於該基材上。該熱處理之溫度通常係控制在高於疏水性高分子之熔點，較佳為200至450℃，更佳為250至400℃；熱處理之時間並非本發明之重點，一般為5至120分鐘，較佳為10至90分鐘，更佳為20至50分鐘。可用於本發明熱處理步驟中之惰性氣體可選自以下群組：氮氣、氦氣、氬氣、及其組合，基於成本上之考量，較佳係使用氮氣。根據本發明於惰性氣體保護下進行熱處理，可減少因碳材料的氧化所產生之重量上的損失，進而避免所得經改質碳化基材之導電性能的降低。
經熱處理後之疏水性高分子會形成具有細小孔洞的網狀結構物，有利於氣體的進出，且因其具有疏水性質亦利於排除多餘的水。
根據本發明方法，較佳地，係於該熱處理步驟之前，先進行一乾燥步驟，以去除混合物中多於的水份及/或溶劑。舉例言之，可採用將該經混合物施用之碳化基材直接置於室溫環境下之自然乾燥法，或將其置於70至150℃之烘箱中或輔以熱氣之強制乾燥方式而進行該水份及/或溶劑之去除。
根據本發明方法，可循環進行該混合物施用步驟與該視需要之乾燥步驟1至10次，以提升所得碳化基材之燃料電池性能。之後，再於惰性氣體保護下，進行熱處理程序。
本案發明人發現，無需如前技藝般地先對碳化基材進行疏水性高分子預處理，如本發明方法般地直接施用含疏水性高分子及碳材之混合物於碳化基材上，便可賦予碳化基材所欲之疏水性能，簡化整個碳化基材的改質製程，降低製備成本。同時，藉由本發明改質方法所製造之經改質碳化基材，仍可展現所欲之導電性及透氣性。
本發明另提供一種經改質碳化基材，其包含一碳化基材及一整平層，該整平層係實質上直接地位於該碳化基材之至少一面上。於此，所謂「該整平層實質上直接地位於該碳化基材之至少一面上」係指於該碳化基材與該整平層之間並不單獨存在如先前技藝之預處理所形成之疏水物質層。關於碳化基材、疏水性高分子及碳材之使用條件，係如上文所述，於此不再贅述。
第1圖係顯示本發明經改質碳化基材之一實施態樣之示意圖，其中經改質碳化基材10係包含一碳化基材1及覆於其一表面之整平層2，整平層2係包含碳材21及疏水性高分子22，其中，疏水性高分子22於熱處理之後係呈具細小微孔之網狀結構(為簡化起見，圖中未繪示)。於此，如前述，可視需要於碳化基材1之兩面皆提供整平層2。
本發明之經改質碳化基材，其表面之整平層因含有碳材故可維持碳化基材之導電性、因含有熱處理後之疏水性高分子(呈具細小微孔之網狀結構)故展現所欲透氣度與其固有之疏水性；是以，其係特別適用於燃料電池中之電極氣體擴散層材料。
因此，本發明另提供一種燃料電池，尤其是PEMFC及DMFC，其特徵在於該燃料電池之至少一電極係含有本發明經改質碳化基材。如前述關於先前技術之說明，燃料電池中各元件之材料與結構，係此技術領域中具有通常知識者所熟知者。舉例言之，可參見中華民國專利第I272739號及美國專利公開第2007/0117005A1號，其所揭露內容均併於此處以供參考。
請參考第2圖，其繪示一根據本發明之PEMFC單電池之主要構件示意圖，包括一膜電極組(MEA)及具有氣體通道的雙極板5a、5b。該膜電極組係由一質子交換膜4、位於該質子交換膜4兩側之觸媒層3a、3b、以及分別置於觸媒層3a、3b外側之碳化基材1a、1b所組成，碳化基材1a、1b係分別於面向觸媒層3a、3b之表面上具有整平層2a、2b。其中，質子交換膜4可使用杜邦公司之Nafion系列產品，觸媒層3a、3b可為鈀或鉑觸媒。於此，亦可使用兩面皆覆有整平層2a、2b之碳化基材1a、1b於燃料電池之膜電極組中。如本案後附實施例之結果顯示，含有本發明經改質碳化基材之燃料電池，係展現優異的電池性能，如電流密度。
茲以下列具體實施態樣以進一步例示說明本發明，其中，所採用之量測儀器及方法分別如下：(A)透氣度量測方法 透氣度量測儀：Gurley Model 4110，美國透氣度用圓桶容量：300 cc透氣度用圓桶重量：5 oz量測面積：1平方英吋
將試片裁切為10公分×10公分大小，根據ASTM D726－58規範進行測試。
(B)接觸角量測方法 接觸角量測儀：GBX model D－S Instruments，法國
濕潤性常以接觸角來評量，接觸角是指液滴與固體基材表面接觸點之切線與固－液界面之夾角θ，即所謂的接觸角。接觸角越小代表濕潤性越好，反之代表濕潤性不良。一般而言，0°<θ<90°歸為親水性(hydrophilic)；θ>90°歸為疏水性(hydrophobic)；θ＝0°為完全濕潤(complete wetting)。
接觸角計算係根據Young’s Contact Angle方程式：θlv cosθ＝θsv －θsl 。
其中，θlv 為液相－氣相夾角；θsv 為固相－氣相夾角；θsl 為固相－液相夾角。
(C)電池測試方法 電池測試機台：FCEDPD50 Asia Pacific Fuel Cell Technologies,Ltd.電池負載機型號：Chroma 63103測試條件：陽極燃料：氫氣(99.999%)，流速200 c.c./min陰極燃料：氧氣(工業用)，流速200 c.c./min陽極陰極増濕溫度：40℃增濕瓶出口相對溼度：90%電池測試溫度：40℃電池組裝扭力：40 kgf cm電池反應面積：25 cm2
將熱處理完成之試片裁切為5公分×5公分大小，將其與美國Gore所生產之經觸媒塗覆膜(catalyst－coated membrane，CCM，型號：PRIMEASeries 5621 MESGA，具有35微米厚度及45 Pt合金/60 Pt)，以40 kgf cm扭力組合，雙極板採用具柵欄狀(gate－type)之溝渠的石墨板，最後再利用不鏽鋼板及聚四氟乙烯襯墊(Teflon Gasket)封裝成一個測試用的單電池，進行測試。
(D)表面電阻測試方法 表面電阻測試機台：Loresta GP Model MCP－T600,Mitubishi Chemical Corp.
將試片裁切為5公分×5公分大小，依照JIS K 7194規範進行測試。
實施例1
將依照美國專利申請案公開第2006/0214320號所述方法製造出之碳紙，於氮氣保護下在1300℃下進行碳化歷時5分鐘。所得碳紙之厚度為550微米，重量為125 g/m2 。
取4克Vulcan XC－72(Cabot Corp.,Boston Mass.)與濃度10%之FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司之FEP 121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續攪拌5分鐘，得到一液態漿料。
將碳紙置於一平整固體表面上，將所得漿料噴塗至該碳紙之一面上。之後，將噴塗後之碳紙置於70℃之烘烤爐中乾燥15分鐘；再於350℃下以氮氣為保護性氣體進行熱處理，得到一經改質碳紙。
利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表1中所列。
實施例2
使用與實施例1相同之原料與步驟，惟共進行該噴塗與乾燥步驟之循環5次。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表1中所列。
實施例3
使用與實施例1相同之原料與步驟，惟共進行該噴塗與乾燥步驟之循環10次。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表1中所列。
比較例1
使用與實施例1相同之原料與步驟，惟於噴塗步驟之前，先將碳紙含浸於3%之FEP溶液(由97毫升之去離子水稀釋3毫升之杜邦公司之FEP 121A溶液而得)，之後於70℃下烘乾15分鐘，再接著進行實施例1之噴塗、乾燥及熱處理程序。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表1中所列。
如表1所示，本發明於未經疏水性預處理情形下所提供之經改質碳紙，仍具所欲疏水性，此可由其噴塗面之接觸角均大於90度所呈現。此外，相較於比較例1，使用本發明未先經疏水性處理之經改質碳紙(實施例1)於燃料電池時，係可展現較佳之電流密度(提高17%)。另，如實施例2與3之結果顯示，進行多次噴塗及烘乾步驟，可適度提高燃料電池之效能。
實施例4
將市售碳布(銓能科技股份有限公司，型號：FCW1005)於氮氣保護下在1750℃熱處理歷時5分鐘。
取2克Vulcan XC－72(Cabot Corp.,Boston Mass.)與2克N660(Korea Steel Chemical Co.,Ltd.)與濃度10%之FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司之FEP 121A溶液而得)均勻混合，於室溫下連續攪拌5分鐘，得到一液態漿料。
將碳布置於一平整固體表面上，將所得漿料噴塗至該碳布之一面上。之後，將噴塗後之碳布置於70℃之烘烤爐中乾燥15分鐘；再於350℃下以氮氣為保護性氣體進行熱處理，得到一經改質碳布。
利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表2中所列。
比較例2
採用與實施例4相同之原料與步驟，惟於噴塗步驟之前，先將碳布含浸於3%之FEP溶液(由97毫升之去離子水稀釋3毫升之杜邦公司之FEP 121A溶液而得)，之後於70℃下烘乾15分鐘，再接著進行實施例4之噴塗、乾燥及熱處理程序。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表2中所列。
比較例3
採用與實施例4相同之原料碳布於氮氣保護下，在1750℃下進行熱處理歷時5分鐘，接著將該碳布含浸於3%之FEP溶液(由97毫升之去離子水稀釋3毫升之杜邦公司之FEP 121A溶液而得)，之後於70℃下烘乾15分鐘。
進行如實施例4所述之噴塗及乾燥程序，之後於350℃下在空氣環境中進行熱處理，得到一經改質碳布。
利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表2中所列。
比較例4
採用與實施例4相同之原料與步驟，惟熱處理步驟係於空氣環境中進行。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表2中所列。
由表2可知，相較於比較例2至比較例4，本發明經改質碳布(實施例4)係展現相當之疏水性，且其使用於燃料電池時，可呈現較高的電池性能。此外，於空氣中進行熱處理所得之經改質碳布之重量損失達1.84重量%(比較例3)及1.60重量%(比較例4)，高於惰性氣體保護下熱處理所得者(實施例4，0.76重量%)。
實施例5
取用市售碳紙TGP－H－090(Toray公司)作為原料。
取2克Vulcan XC－72(Cabot Corp.,Boston Mass.)與2克N660(Korea Steel Chemical Co.,Ltd.)與濃度10%之FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司FEP 121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續攪拌5分鐘，得到一液態漿料。
將碳紙置於一平整固體表面上，將所得漿料噴塗至該碳布之一面上。之後，將噴塗後之碳紙置於70℃之烘烤爐中乾燥15分鐘；再於350℃下以氮氣為保護性氣體進行熱處理，得到一經改質碳紙。
利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表3中所列。
比較例5
採用與實施例5相同之原料與步驟，惟於噴塗步驟之前，先將碳紙含浸於3%之FEP溶液(由97毫升之去離子水稀釋3毫升之杜邦公司之FEP 121A溶液而得)，之後於70℃下烘乾15分鐘，再接著進行實施例5之噴塗、乾燥及熱處理程序。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳紙係用於陽極與陰極，量測之各性質係如表3中所列。
由表3可知，相較於比較例5，本發明未先經疏水性處理之經改質碳紙(實施例5)係展現相當之疏水性，且其使用於燃料電池時，可呈現較佳之電流密度(提高22%)。
實施例6
將市售碳布(銓能科技股份有限公司，型號：FCW1005)，於氮氣保護下，再於1750℃下進行熱處理歷時5分鐘。
取2克Vulcan XC－72(Cabot Corp.,Boston Mass.)與2克N660(Korea Steel Chemical Co.,Ltd.)與濃度10%之FEP(以90毫升去離子水稀釋10毫升杜邦公司之FEP 121A溶液而得)均勻混合，室溫下連續攪拌5分鐘，得到一液態漿料。
將碳布置於一平整固體表面上，將所得漿料噴塗至該碳布之一面上。之後，將噴塗後之碳布置於70℃之烘烤爐中乾燥15分鐘。再將該漿料噴塗至該碳布之另一面，並再置於70℃之烘烤爐中乾燥15分鐘。接著，於350℃下以氮氣為保護性氣體進行熱處理，得到一經改質碳布。
利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陰極而實施例4所得者係用於陽極，量測之各性質係如表4中所列。
實施例7
採用與實施例6相同之原料與步驟，得到經改質碳布。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極而實施例4所得者係用於陰極，量測之各性質係如表4中所列。
實施例8
採用與實施例6相同之原料與步驟，得到經改質碳布。利用上述測試方法進行各項測試，其中於電池性能測試中，所得經改質碳布係用於陽極及陰極，量測之各性質係如表4中所列。
由表4可知，無論對碳化基材進行單面改質或雙面改質，且無論將所得經改質碳化基材用於於燃料電池之陰極或陽極，均可以獲得良好之電池效能。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以下述之申請專利範圍為準。
1、1a、1b．．．碳化基材
2、2a、2b．．．整平層
3a、3b．．．觸媒層
4．．．質子交換膜
5a、5b．．．雙極板
10．．．經改質碳化基材
21．．．碳材
22．．．疏水性高分子
第1圖係一種根據本發明之經改質碳化基材之結構示意圖；以及第2圖係一種根據本發明之燃料電池之單電池之膜電極組之結構示意圖。
1．．．碳化基材
2．．．整平層
10．．．經改質碳化基材
21．．．碳材
22．．．疏水性高分子

Claims (22)

  1. 一種碳化基材之改質方法，包含：提供一未經疏水性處理之碳化基材；提供一含疏水性高分子與碳材之混合物；將該混合物施用至該未經疏水性處理之碳化基材之至少一面；以及於惰性氣體保護下，熱處理該碳化基材。
  2. 如請求項1之方法，其中該未經疏水性處理之碳化基材係選自以下群組：碳布、碳紙、及碳氈。
  3. 如請求項1之方法，其中該疏水性高分子係選自以下群組：聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚六氟丙烯(polyhexafluoropropylene，PHFP)、六氟丙烯與四氟乙烯之共聚物(copolymers of hexafluoropropylene and tetrafluoro-ethylene，FEP)、四氟乙烯與全氟丙基乙基醚之共聚物(copolymers of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl-vinylether，PFA)、四氟乙烯與全氟甲基乙基醚之共聚物(copolymers of tetrafluoroethylene and perfluoromethyl-vinylether，MFA)、氯三氟乙烯之均聚物(homopolymers of chlorotrifluoroethylene，PCTFE)、聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚氟乙烯(poly(vinylfluoride)，PVF)、四氟乙烯與乙烯之共聚物(copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene，ETFT)、偏氟乙烯及六氟丙烯及四氟乙烯之共聚物(copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene,and tetrafluoroethylene，THV)、及其組合。
  4. 如請求項1之方法，其中該碳材係包含粉末碳材、纖維碳材、或其組合。
  5. 如請求項1之方法，其中該碳材係選自以下群組：碳黑、石墨、乙炔墨、及其組合。
  6. 如請求項1之方法，其中該施用係以選自以下之方式進行：噴灑、網印、塗布、含浸、及其組合。
  7. 如請求項1之方法，其中該混合物係施用至該未經疏水性處理之碳化基材之兩面上。
  8. 如請求項1之方法，其中係於該熱處理步驟之前，進行一乾燥步驟。
  9. 如請求項8之方法，其中該乾燥步驟係於70至150℃下進行。
  10. 如請求項8之方法，其中係進行該施用步驟與該乾燥步驟之循環1至10次。
  11. 如請求項1之方法，其中該惰性氣體係選自以下群組：氮氣、氦氣、氬氣、及其組合。
  12. 如請求項1之方法，其中該熱處理之溫度係高於該疏水性高分子之熔點。
  13. 如請求項12之方法，其中該熱處理係於200至450℃下進行歷時5至120分鐘。
  14. 一種經改質碳化基材，包含：一未經疏水性處理之碳化基材；以及 一整平層，實質上直接地位於該未經疏水性處理之碳化基材之至少一面上。
  15. 如請求項14之經改質碳化基材，其中該未經疏水性處理之碳化基材係選自以下群組：碳布、碳紙、及碳氈。
  16. 如請求項14之經改質碳化基材，其中該整平層係包含疏水性高分子及碳材。
  17. 如請求項16之經改質碳化基材，其中該疏水性高分子係選自以下群組：PTFE、PHFP、FEP、PFA、MFA、PCTFE、PVDF、PVF、ETFT、偏氟乙烯、THV、及其組合。
  18. 如請求項16之經改質碳化基材，其中該碳材係包含粉末碳材、纖維碳材、或其組合。
  19. 如請求項16之經改質碳化基材，其中該碳材係選自以下群組：碳黑、石墨、乙炔墨、及其組合。
  20. 如請求項14之經改質碳化基材，其中該整平層係實質上直接地位於該未經疏水性處理之碳化基材之兩面上。
  21. 如請求項14之經改質碳化基材，係用作燃料電池中之電極氣體擴散層。
  22. 一種燃料電池，其特徵在於其至少一電極係含有如請求項14至21中任一項之經改質碳化基材。
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