TWI573313B - Gas diffusion electrode substrate for fuel cell - Google Patents

Gas diffusion electrode substrate for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
TWI573313B
TWI573313B TW102129941A TW102129941A TWI573313B TW I573313 B TWI573313 B TW I573313B TW 102129941 A TW102129941 A TW 102129941A TW 102129941 A TW102129941 A TW 102129941A TW I573313 B TWI573313 B TW I573313B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
electrode substrate
gas diffusion
carbon
microporous layer
diffusion electrode
Prior art date
Application number
TW102129941A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201415702A (zh
Inventor
宇都宮將道
橋本勝
釜江俊也
Original Assignee
東麗股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 東麗股份有限公司 filed Critical 東麗股份有限公司
Publication of TW201415702A publication Critical patent/TW201415702A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI573313B publication Critical patent/TWI573313B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

燃料電池用氣體擴散電極基材
本發明是關於一種適合使用於燃料電池，特別是適合使用於固體高分子型燃料電池的氣體擴散電極基材。更詳細地說，是關於一種氣體擴散電極基材，其耐氾流性、耐乾化性優異，可在涵蓋低溫至高溫的廣泛溫度範圍呈現高度發電性能，而且機械特性、導電性及熱傳導性也優異。
固體高分子型燃料電池將含氫氣的燃料氣體供給至陽極，將含氧氣的氧化氣體供給至陰極，藉由在兩極所引起的電化學反應而得到電動勢，一般而言，該固體高分子型燃料電池依序積層隔離件、氣體擴散電極基材、觸媒層、電解質膜、觸媒層、氣體擴散電極基材、隔離件而構成。氣體擴散電極基材需要高面內方向的氣體擴散性及高面直方向的氣體擴散性，以使隔離件所供給的氣體擴散至觸媒層，也需要高排水性，以將伴隨電化學反應而產生的液態水朝隔離件排出，又需要高導電性，以提取出所產生的電流，於是，由碳纖維等所構成的電極基材受到廣泛的使用。
然而，已知(1)當使固體高分子型燃料電池在小於70℃的相對低溫且高電流密度區域運作時，大量 產生的液態水導致電極基材塞住，燃料氣體的供給不足，結果產生發電性能降低的問題(以下記載為氾流(flooding))；(2)當在80℃以上的相對高溫運作時，水蒸氣擴散導致電解質膜乾燥，質子傳導性下降，結果產生發電性能下降的問題(以下記載為乾化(dry up))，為解決此等(1)、(2)的問題，而完成有很多組合。
專利文獻1提出一種氣體擴散電極基材，其在167g/m2之高單位面積質量的電極基材的觸媒層側形成由碳黑及撥水性樹脂所構成的微孔層。根據採用此氣體擴散電極基材的燃料電池，由於微孔層形成具有撥水性的小細孔構造，所以，可抑制液態水朝陰極側排放，有抑制阻塞的傾向。又，由於生成水被推回電解質膜側(以下記載為逆擴散)，所以，具有電解質膜呈溼潤狀態而得以抑制乾化的傾向。然而，有氾流、乾化的抑制還不足的問題。
專利文獻2提出一種氣體擴散電極基材，其在涵蓋44~92g/m2的範圍內之較低單位面積質量至較高單位面積質量的電極基材的觸媒層側，形成有由碳黑及撥水性樹脂所構成的微孔層。根據使用此等氣體擴散電極基材的燃料電池，雖然電極基材的氣體擴散性、排水性有所改善，故能期待氾流受到抑制，但是有氾流的抑制還不足、無法抑制乾化之問題。
專利文獻3提出一種氣體擴散電極基材，其在84g/m2之較高單位面積質量的電極基材的觸媒層側形成有由碳黑、線狀碳及撥水性樹脂所構成的微孔層。根 據使用此氣體擴散電極基材的燃料電池，雖然微孔層的氣體擴散性、排水性有所改善，故能期待氾流受到抑制，但是有氾流的抑制還不足、無法抑制乾化之問題。
雖然完成如此等之多種組合，但是還未發現能滿足作為耐氾流性優異且耐乾化性亦優異的氣體擴散電極基材。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2000-123842號公報
專利文獻2 日本特開2004-311431號公報
專利文獻3 日本特開2006-120506號公報
鑒於習知技術的背景，本發明的目的在提供一種氣體擴散電極基材，其耐氾流性、耐乾化性優異，可在涵蓋低溫至高溫之廣泛溫度範圍呈現高度的發電性能，再者，機械特性、導電性、熱傳導性也優異。
本發明的氣體擴散電極基材為了解決此課題，而採用如下手段。
(1)一種燃料電池用氣體擴散電極基材，其係在電極基材的單面配置有微孔層之燃料電池用氣體擴散電極基材，其特徵為：在微孔層含有縱橫比在30~5000的範圍內的線狀碳，且氣體擴散電極基材的單位面積質量是在30~60g/m2的範圍內。
(2)如前述(1)所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中微孔層的單位面積質量是在10~35g/m2的範圍內。
(3)如前述(1)或(2)所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中氣體擴散電極基材的厚度是在70~190μm的範圍內。
(4)如前述(1)至(3)中任一項所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中面直方向的氣體穿透阻力是在15~190mmAq的範圍內。
(5)如前述(1)至(4)中任一項所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中在使用於氣體擴散電極基材之電極基材的單面及其反面，氟相對於碳的比率不同，而在氟相對於碳的比率較多的那一面配置有微孔層而成。
(6)如前述(1)至(5)中任一項所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中在微孔層含有碳黑，碳黑相對於縱橫比在30~5000範圍內的線狀碳之混合質量比是在0.5~20的範圍內。
(7)如前述(1)至(6)中任一項所記載的燃料電池用氣體擴散電極基材，其中在電極基材的不同於配置有微孔層之面的另外一面，配置有面積率在5~70%的範圍內的微孔部而成。
根據本發明，藉由促進氣體擴散電極基材中之液態水的排出，可抑制氾流，再者，藉由抑制水蒸氣擴散，可抑制乾化。因此，若使用本發明的氣體擴散電 極基材，可在涵蓋低溫至高溫之廣泛溫度範圍呈現高度的發電性能。此外，本發明的氣體擴散電極基材，其機械特性、導電性、熱傳導性也優異。
[用以實施發明的形態]
本發明的氣體擴散電極基材，係在電極基材的單面配置有微孔層而成的燃料電池用氣體擴散電極基材，其特徵為：在微孔層含有縱橫比在30~5000的範圍內之線狀碳，氣體擴散電極基材的單位面積質量在30~60g/m2的範圍內。此外，本發明中，將僅由碳紙等所構成但未設置微孔部的基材稱為「電極基材」，將在電極基材設有微孔層的基材稱為「氣體擴散電極基材」。
本案發明人等，針對在較低的單位面積質量之電極基材的觸媒層側形成有由碳黑及撥水性樹脂所構成之微孔層而成的氣體擴散電極基材中，雖然電極基材之面內方向的氣體擴散性、排水性有所改善，故能期待氾流的抑制獲得改善，但是會有氾流的抑制還不足、無法抑制乾化之原因，思考如下。
亦即，在比較低的單位面積質量的電極基材形成微孔層時，一般是使用含有碳黑及撥水性樹脂的碳塗液作為微孔層的前驅物，但是，因為是使用比較低的單位面積質量的電極基材，所以會明顯發生該碳塗液滲入電極基材的情況，碳塗液會滲透到電極基材的背面(以 下，記載為透印(strike through))。因此，電極基材內部充滿碳塗液，不僅電極基材之面內方向的氣體擴散性會降低，排水性也會降低，氾流的抑制不足。此外，應形成於電極基材表層之微孔層的厚度不夠，生成水的逆擴散不足，電解質膜乾燥而無法抑制乾化。此外，若是為了抑制透印，而想要在保持比較低單位面積質量的情況下增加電極基材的厚度，則氣體擴散電極基材的導電性會降低。
針對此問題致力探討研究，結果發現藉由以下的手段，可一舉解決這些問題，且可在涵蓋低溫至高溫的廣泛溫度範圍呈現高度的發電性能。也就是說，發現在低單位面積質量的電極基材形成微孔層之際，藉由使微孔層含有縱橫比在30~5000的範圍內的線狀碳，可適度地抑制微孔層前驅物的碳塗液滲入電極基材，在電極基材部之面內方向的氣體擴散性、排水性能獲得改善，所以能抑制氾流。又發現由於在電極基材表層形成具有足夠厚度的微孔層，可促進生成水的逆擴散，故可抑制乾化。
面內方向的氣體擴散性及面直方向的氣體擴散性、排水性等的改善是必要的，然而此等必須以良好的平衡來加以改善。於是，著眼於氣體擴散電極基材的單位面積質量。
針對此問題致力探討研究，結果發現藉由以下的手段，可一舉解決這些問題，且可在涵蓋低溫至高溫的廣泛溫度範圍呈現高度發電性能。也就是說，在使 用比較低的單位面積質量的電極基材形成微孔層之際，藉由使微孔層含有縱橫比在30~5000的範圍內的線狀碳，再者，藉由將氣體擴散電極基材的單位面積質量設在30~60g/m2的範圍內，可改善面內方向的氣體擴散性、面直方向的氣體擴散性、排水性，故可抑制氾流。又發現由於在電極基材表層形成具有足夠厚度的微孔層，可促進生成水的逆擴散，故可抑制乾化。
以下，針對各要素作說明。
本發明的電極基材必須具有用以將供給自隔離件的氣體朝觸媒擴散之較高的面內方向之氣體擴散性及面直方向之氣體擴散性、用以將伴隨電化學反應而產生的液態水朝隔離件排出之高排水性、用以取出所產生的電流之高導電性。
因此，作為電極基材，宜使用碳纖維織物、碳纖維不織布、碳纖維抄紙體等含有碳纖維的多孔體、發泡燒結金屬、金屬網、膨脹金屬等金屬多孔體，其中，若要耐腐蝕性優異，宜使用含有碳纖維的多孔體，再者，若要機械強度優異，宜使用以碳化物結着碳纖維抄紙體而成的基材，亦即，宜使用「碳紙」。在本發明中，以碳化物結着碳纖維抄紙體而成的基材，通常如後所述，是藉由將樹脂含浸於碳纖維的抄紙體中並加以碳化而獲得。
關於碳纖維，可列舉聚丙烯腈(PAN)系、瀝青系及嫘縈系等碳纖維。其中，從機械強度優異之觀點來看，宜在本發明中使用PAN系、瀝青系碳纖維。
本發明的碳纖維係以單纖維的平均直徑在3~20μm的範圍內較佳，若在5~10μm的範圍內則更好。當平均直徑在3μm以上時，細孔徑較大，排水性提高，於是可進一步抑制氾流現象。另一方面，當平均直徑為20μm以下時，水蒸氣擴散性變小，可進一步抑制乾化現象。又，若使用具有不同平均直徑之2種以上的碳纖維，由於可提高電極基材的表面平滑性，所以較佳。
在此，碳纖維中的單纖維平均直徑，係藉由掃描型電子顯微鏡等的顯微鏡將碳纖維放大到1000倍以上，以進行照相攝影，隨機選取30根不同的單纖維，測量其直徑，再求出其平均值者。關於掃描型電子顯微鏡，可採用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明的碳纖維，其單纖維的平均長度宜在3~20mm的範圍內，若在5~15mm的範圍內則更好。當平均長度在3mm以上時，電極基材的機械強度、導電性及熱傳導性優異，較為理想。另一方面，當平均長度為20mm以下時，抄紙時的碳纖維的分散性優異，可得到均質的電極基材，故較佳。具有此平均長度的碳纖維，可藉由將連續的碳纖維切割成所期望的長度之方法等來得到。
在此，碳纖維的平均長度，係藉由掃描型電子顯微鏡等的顯微鏡將碳纖維放大到50倍以上，以進行照相攝影，隨機選取30根單纖維，測量其長度，再求出其平均值者。關於掃描型電子顯微鏡，可採用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。此外，碳纖維中的單纖維的平均直徑及平均長度通常會針對作為原料的碳纖維直接觀察來測量，但也可觀察電極基材來測量。
本發明中，電極基材之單位面積質量較佳是在20~50g/m2的範圍內之低單位面積質量，更佳是在45g/m2以下，再更佳是在40g/m2以下。又，較佳為25g/m2以上，更佳為30g/m2以上。若電極基材之單位面積質量是在20g/m2以上，則構成電極基材的碳纖維之每單位面積的量變得更佳，導電性會進一步提升，所獲得之氣體擴散電極基材的導電性變更高，無論是在高溫或低溫下，發電性能皆可進一步提升。又，電極基材的機械強度進一步提高，可充分支撐電解質膜及觸媒層。另一方面，若電極基材之單位面積質量為50g/m2以下時，電極基材之面直方向的氣體透擴散性可進一步提升，所獲得之氣體擴散電極基材之面直方向的氣體擴散性變得更大，無論在高溫或低溫下，發電性都能進一步提高。
具有此單位面積質量之電極基材，可藉由在後述的製法中控制預備含浸體中的碳纖維單位面積質量、樹脂成分相對於碳纖維的摻合量而獲得。此外，本發明中，將樹脂組成物含浸於含碳纖維的抄紙體中所構成者記載為「預備含浸體」。在此，藉由減少預備含浸體的碳纖維單位面積質量可獲得低單位面積質量的基材，藉由加大碳纖維單位面積質量可獲得高單位面積質量的基材。又，藉由減少樹脂成分相對於碳纖維的摻合量可得到低單位面積質量的基材，藉由增加樹脂成分的摻合量可得到高單位面積質量的基材。此外，本發明中，單位面積質量意指每單位面積的質量。
在此，電極基材的單位面積質量，係藉由將使用電子天秤所秤得之電極基材的質量，除以電極基材之XY面的面積而獲得。
本發明中，氣體擴散電極基材的單位面積質量必須是在30~60g/m2之範圍內的低單位面積質量。較佳為55g/m2以下，更佳為50g/m2以下。又，較佳為35g/m2以上，更佳為40g/m2以上。若氣體擴散電極基材的單位面積質量小於30g/m2，則構成氣體擴散電極基材之碳纖維、碳系填料之單位面積的量較少，變成導電性低的氣體擴散電極基材，而會有在高溫、低溫下，發電性能皆降低的情況。另一方面，若氣體擴散電極基材的單位面積質量超過60g/m2，則因為氣體擴散電極基材之面內方向的氣體擴散性及面直方向的氣體擴散性均會降低，故會有在高溫、低溫下，發電性能皆降低的情況。具有此單位面積質量的氣體擴散電極基材，係可藉由控制電極基材的單位面積質量和微孔層的單位面積質量而獲得。
在此，氣體擴散電極基材的單位面積質量，係藉由將使用電子天秤所秤得之氣體擴散電極基材的質量，除了氣體擴散電極基材之XY面的面積而獲得。
本發明中，電極基材的細孔徑係以在30~80μm的範圍內較佳，在40~75μm的範圍內更佳，在50~70μm的範圍內又更佳。當細孔徑為30μm以上時，排水性得以進一步提升，可更進一步抑制氾流。當細孔徑為80μm以下時，導電性更高，無論是在高溫或低溫下，發電性能都能更加提升。欲設計成此細孔徑的範圍 時，以包含單纖維的平均直徑為3μm以上8μm以下的碳纖維、和單纖維的平均直徑超過8μm的碳纖維兩者較有效果。
此處，電極基材的細孔徑，係藉由水銀壓入法，求得在測定壓力6kPa~414MPa(細孔徑30nm~400μm)的範圍所測得之細孔徑分布的峰直徑。此外，出現複數個峰時，採用最高峰的峰直徑。關於測定裝置，可採用島津製作所公司製Auto Pore 9520或與其同等的產品。
本發明中，電極基材的厚度係以在50~160μm的範圍內較佳，在140μm以下更佳，在120μm以下又更佳。又，較佳為60μm以上，更佳為70μm以上。當電極基材的厚度為50μm以上時，面內方向的氣體擴散變得更佳，可更容易將氣體供給到位於隔離件之肋條下方的觸媒，故無論是在低溫或高溫下，發電性能均可提升。此外，電極基材的機械強度進一步提高，能更良好地支撐電解質膜、觸媒層。另一方面，當電極基材的厚度為150μm以下時，由於排水的通路變短，排水性可進一步提升，能進一步抑制氾流，同時導電的通路變短，導電性進一步提升，無論在高溫或低溫下，發電性能都能進一步提高。具有此厚度的電極基材，可藉由在後述的製法中控制熱處理時的厚度而獲得。
在此，電極基材的厚度，係可在以表面壓力0.15MPa加壓的狀態下，使用測微計求得。
本發明中，氣體擴散電極基材的厚度係以在70~190μm的範圍內較佳，在170μm以下更佳，在150μm 以下又更佳。又，較佳為70μm以上，更佳為80μm以上，再更佳為90μm以上。當氣體擴散電極基材的厚度為70μm以上時，面內方向的氣體擴散變得更佳，可更容易將氣體供給到位於隔離件之肋條下方的觸媒，故無論是在低溫或高溫下，發電性能均可進一步提升。另一方面，當氣體擴散電極基材的厚度為190μm以下時，由於排水性可進一步提升，能進一步抑制氾流，同時導電的通路變短，導電性進一步提升，無論在高溫或低溫下，發電性能都可進一步提高。具有此厚度的氣體擴散電極基材，可藉由控制電極基材的厚度及微孔層的厚度而獲得。
在此，氣體擴散電極基材的厚度，係可在以表面壓力0.15MPa加壓的狀態下，使用測微計求得。
本發明中，必須在電極基材的單面配置有微孔層。微孔層必須具有用以將供給自隔離件的氣體朝觸媒擴散之高面直方向的氣體擴散性、用以將伴隨電化學反應而產生的液態水朝隔離件排出之高排水性、用以取出所產生的電流之高導電性。再者，亦具有促進水分朝電解質膜的逆擴散，潤溼電解質膜之功能。
本發明中，微孔層的單位面積質量較佳是在10~35g/m2的範圍內，更佳為30g/m2以下，再更佳為25g/m2以下。此外，較佳為14g/m2以上，更佳為16g/m2以上。當微孔層的單位面積質量為10g/m2以上時，可進一步覆蓋電極基材表面，可進一步促進生成水的逆擴散，可進一步抑制乾化。此外，當微孔層的單位面積質量為35g/m2以下時，排水性可進一步提升，可進一步抑制氾流。
由提升導電性與排水性的觀點來看，較佳為在微孔層使用含線狀碳和撥水材的多孔體。
本發明中，微孔層中必須使用縱橫比為30~5000的線狀碳作為線狀碳。藉由使用此線狀碳，可適度地抑制微孔層前驅物的碳塗液滲入電極基材，面內方向的氣體擴散性、排水性能獲得改善，所以能抑制氾流，而且由於在電極基材表層形成具有充足厚度的微孔層，可促進生成水的逆擴散，故能抑制乾化。若線狀碳的縱橫比小於30，則碳塗液中之線狀碳的纏繞會變少，碳塗液的黏度降低，無法抑制碳塗液的透印。另一方面，若線狀碳的縱橫比大於5000，則碳塗液中之線狀碳的纏繞過多，會有在碳塗液引起固體成分的凝集、沉降之問題。本發明中，線狀碳的縱橫比較佳為3000以下，更佳為1000以下。此外，線狀碳的縱橫比較佳為35以上，更佳為40以上。
在此，線狀碳的縱橫比係指：平均長度(μm)/平均直徑(μm)。平均長度係利用掃描型電子顯微鏡、穿透型電子顯微鏡等的顯微鏡，放大成1000倍以上以進行照相攝影，隨機選取10個不同的線狀碳，測量其長度，求出平均值。平均直徑係利用掃描型電子顯微鏡、穿透型電子顯微鏡等的顯微鏡，放大成1000倍以上以進行照相攝影，隨機選取10個不同的線狀碳，測量其直徑，求出平均值。關於掃描型電子顯微鏡，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中，較佳為使用特定縱橫比的線狀碳作為特定縱橫比的線狀碳。以線狀碳而言，可列舉：汽相成長碳纖維，單層奈米碳管、雙層奈米碳管、多層奈米碳管、奈米碳角體、奈米螺旋碳管、杯狀積層型奈米碳管、竹節狀奈米碳管、石墨奈米纖維。其中，從可加大縱橫比，導電性、機械特性優異來看，汽相成長碳纖維、單層奈米碳管、雙層奈米碳管、多層奈米碳管是較適合使用於本發明中的線狀碳。汽相成長碳纖維是指使汽相中的碳藉由觸媒成長而成者，以平均直徑是5~200nm，平均纖維長度是在1~20μm的範圍較佳。
本發明中，使用特定縱橫比的線狀碳時，其平均長度較佳是在0.1~30μm的範圍內，更佳是在1~20μm的範圍內，再更佳是在2~15μm的範圍內。在此線狀碳中，當其平均長度為0.1μm以上時，碳塗液的黏度變更高，可進一步抑制透印，電極基材之面內方向的氣體擴散性、排水性可進一步提升，可進一步抑制氾流。
本發明中，微孔層中必須含有特定縱橫比的線狀碳，但是亦可進一步含有此線狀碳以外的各種碳系填料。關於不具有特定縱橫比的碳系填料，可列舉：爐黑、乙炔黑、燈煙、熱裂解碳黑等的碳黑、鱗片狀石墨、鱗狀石墨、土狀石墨、人造石墨、膨脹石墨、薄片石墨等的石墨且縱橫比不是在30~5000的範圍內者、CNT等的線狀碳且縱橫比不是在30~5000的範圍內者，此等構成中，較佳為使用碳黑，最佳為使用乙炔黑。
使用碳黑作為不具有特定縱橫比的碳系填料時，碳黑相對於特定縱橫比的線狀碳之混合質量比係以在0.5~20的範圍內較佳，在1~19的範圍內更佳，在2~10的範圍內又更佳。當此混合質量比為0.5以上時，由於含特定縱橫比的線狀碳和碳黑之微孔層的空隙率會成為適當的大小，故水蒸氣擴散性會進一步變小，可進一步抑制乾化。當此混合質量比為20以下時，因特定縱橫比之線狀碳的摻合的效果，可適度地抑制微孔層前驅物的碳塗液滲入電極基材，面內方向的氣體擴散性、排水性能獲得改善，故可抑制氾流，此外，由於在電極基材表層形成具有充分厚度的微孔層，可促進生成水的逆擴散，故能抑制乾化。
本發明中，從促進液態水之排水的觀點來看，較佳為撥水材與線狀碳組合而包含於微孔層中。其中，由耐腐食性優異這點來看，較佳為使用氟系聚合物作為撥水材。以氟系聚合物而言，可列舉：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)等。
本發明中，基於促進液態水的排出且抑制水蒸氣擴散之觀點，於微孔層中可使用各種材料與線狀碳組合。例如，為了加大微孔層的細孔徑，促進液態水的排水，可使用消失材。在此，消失材係指在以300~380℃加熱5~20分鐘，熔融撥水材，作成線狀碳彼此的黏合劑而形成微孔層之際，經由燒乾等而消失，以形成空隙之材料。具體而言，可列舉：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等的粒子、纖維等。
本發明中，微孔層的空隙率係以在60~85%的範圍內較佳，在65~80%的範圍內更佳，在70~75%的範圍內又更佳。當空隙率為60%以上時，排水性得以進一步提升，可進一步抑制氾流。當空隙率為85%以下時，水蒸氣擴散性更小，可進一步抑制乾化。此外，導電性高，無論是在高溫或低溫下發電性能皆可提升。
具有此空隙率的微孔層可藉由在後述的製法中，控制微孔層之單位面積質量、撥水材、碳系填料相對於其它材料的摻合量、碳系填料的種類、及微孔層的厚度而獲得。其中，控制撥水材、碳系填料相對於其它材料的摻合量、碳系填料的種類是有效的。在此，藉由增加撥水材、碳系填料相對於其它材料的摻合量，可獲得高空隙率的微孔層，藉由減少撥水材、碳系填料相對於其它材料的摻合量，可獲得低空隙率的微孔層。
此處，微孔層的空隙率，係使用利用離子束剖面加工裝置之剖面觀察用樣品，利用掃描型電子顯微鏡等的顯微鏡，將剖面放大到1000倍以上以進行照相攝影，測量空隙部分的面積，求得空隙部分相對於觀察面積的面積比。以掃描型電子顯微鏡而言，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中，必須在電極基材的單面配置有微孔層，而從可降低隔離件與氣體擴散電極基材間的電阻之觀點來看，較佳為一部分的微孔層含浸於電極基材。
本發明中，係使用面直方向的氣體穿透阻力作為面直方向之氣體擴散性的指標。氣體擴散電極基材 之面直方向的氣體擴散阻力愈小，面直方向的氣體擴散性愈高。面直方向的氣體穿透阻力較佳是在15~190mmAq的範圍內，更佳為180mmAq以下，再更佳為170mmAq以下。又，較佳為25mmAq以上，更佳為50mmAq以上。當面直氣體擴散阻力為15mmAq以上時，可進一步縮小水蒸氣擴散性，可進一步抑制乾化。又，當面直氣體擴散阻力為190mmAq以下時，面直方向的氣體擴散性可進一步提升，在涵蓋低溫至高溫的廣泛溫度範圍下更容易呈現高發電性能。氣體擴散電極基材的面直氣體穿透阻力為：使用從氣體擴散電極基材所切出之直徑4.7cm的圓形樣品，使空氣以58cc/min/cm2的流速從微孔層側的面穿透其相反面時，用差壓計測量微孔層側的面與其相反面的差壓，而設為面直氣體穿透阻力。
本發明中，由提升氣體擴散電極基材的導電性之觀點，較佳是在與配置微孔層的面相反的電極基材表面配置有微孔部。藉由在電極基材的表面具有微孔部，微孔部可發揮作為導電通路的功用，可提升導電性。在電極基材的表面配置微孔層和微孔部時，以在微孔部中含有碳系填料較佳，碳系填料宜為薄片石墨。微孔部的面積率宜在5~70%的範圍內。
此處，面積率是指藉由數位相機等拍攝氣體擴散電極基材的兩面時，被微孔部所覆蓋的投影面積相對於電極基材的一表面的投影面積之比例。在設成膜電極接合體等的狀態後進行測量之情況，面積率亦可利用如下的方法求得。利用掃描型電子顯微鏡等的顯微鏡， 從氣體擴散電極基材剖面隨機選取100個不同的部位，分別以40倍左右放大並進行照相攝影，測量各影像中電極基材表面被微孔部所覆蓋之投影面積的比例，求出各影像中之微孔部的面積率的平均值。以掃描型電子顯微鏡而言，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中，微孔部係以形成有圖案較佳。本發明中，圖案模樣或圖案係以一定周期重複的模樣。較佳為在100cm2以下的面積中有重複的周期，更佳為在10cm2以下的面積有重複的周期。因周期小，可減少導電性或排水性等面內性能的偏差。作成複數片氣體擴散電極基材時，亦可在薄片(sheet)間進行比較以確認周期的有無。以圖案而言，可列舉：格子、條紋、同心圓、島狀等。
本發明中，由可降低隔離件與氣體擴散電極基材間的電阻之觀點來看，較佳為將形成圖案的微孔部配置於隔離件側。
以下，就適合獲得本發明之氣體擴散電極基材的方法進行具體說明。
<抄紙體、及抄紙體的製造方法>
本發明中，為了獲得含碳纖維的抄紙體，可使用使碳纖維分散於液體中而製造的濕式抄紙法、或分散於空氣中而製造的乾式抄紙法等，由生產性佳這點考量，較佳為使用濕式抄紙法。
本發明中，為了提升電極基材的排水性、面內方向的氣體擴散性，可在碳纖維中混合有機纖維來進行抄紙。作為有機纖維，可使用聚乙烯纖維、維尼綸纖維、聚縮醛纖維、聚酯纖維、聚醯胺纖維、嫘縈纖維、乙酸纖維等。
又，本發明中，為了提升抄紙體的形態保持性、操作性，可包含有機高分子作為黏合劑。此處，作為有機高分子，可使用聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯腈、纖維素等。
本發明的抄紙體，為了將面內的導電性、熱傳導性各向同性地保持，係以碳纖維隨機分散於二維平面內而成的片狀較佳。
在抄紙體所得到的細孔徑分布，雖會受到碳纖維的含有率、分散狀態的影響，但可形成為大致20~500μm左右的大小。
本發明中，抄紙體係以碳纖維的單位面積質量在10~40g/m2的範圍內較佳，在15~35g/m2的範圍內更佳，在20~30g/m2的範圍內又更佳。當碳纖維的單位面積質量為10g/m2以上時，電極基材的機械強度優異，故是理想的。當碳纖維的單位面積質量為40g/m2以下時，電極基材的面內方向的氣體擴散性與排水性優異，故是理想的。此外，貼合複數片抄紙體時，貼合後之碳纖維的單位面積質量係以在上述範圍內較佳。
此處，電極基材中之碳纖維的單位面積質量，係可藉由將切成邊長10cm之方形的抄紙體，在氮氣 環境下保持於溫度450℃的電爐內15分鐘，將去除有機物所得的殘渣的重量除以抄紙體的面積(0.1m2)而求得。
<樹脂組成物的含浸>
本發明中，關於將樹脂組成物含浸於含碳纖維的抄紙體之方法，係可使用：將抄紙體浸漬於含樹脂組成物的溶液中之方法、將含樹脂組成物的溶液塗布於抄紙體之方法、將由樹脂組成物所構成的薄膜重疊於抄紙體來進行轉印之方法等。其中，由生產性佳這點來看，較佳為使用將抄紙體浸漬於含樹脂組成物的溶液中之方法。
使用於本發明的樹脂組成物，係以燒成時進行碳化而成為導電性碳化物者較佳。樹脂組成物係指：可依需要於樹脂成分中添加溶劑等而成者。此處，樹脂成分係指：包含熱硬化性樹脂等的樹脂，再者亦可依需要包含碳系填料、界面活性劑等的添加物者。
本發明中，更詳言之，樹脂組成物所含之樹脂成分的碳化產率係以40質量%以上較佳。當碳化產率為40質量%以上時，電極基材的機械特性、導電性、熱傳導性優異，故是理想的。
本發明中，關於構成樹脂成分的樹脂，可列舉：酚樹脂、環氧樹脂、三聚氰胺樹脂、呋喃樹脂等的熱硬化性樹脂等。其中，由碳化產率高這點來看，較佳為使用酚樹脂。又，關於可依需要添加於樹脂成分的添加物，為了提升電極基材的機械特性、導電性、熱傳導性，可包含碳系填料。此處，作為碳系填料，可使用碳 黑、奈米碳管、奈米碳纖維、碳纖維的磨碎纖維、石墨、薄片石墨等。
使用於本發明的樹脂組成物，可將藉由前述構成所獲得的樹脂成分保持原樣地使用，亦可依需要，以提高對於抄紙體的含浸性為目的而包含各種溶劑。此處，作為溶劑，可使用甲醇、乙醇，異丙醇等。
本發明中使用的樹脂組成物，係以在25℃且0.1MPa的狀態下為液狀較佳。為液狀時，對於抄紙體的含浸性優異，電極基材的機械特性、導電性、熱傳導性佳，所以是理想的。
本發明中，相對於100質量份的碳纖維，較佳為含浸30~400質量份的樹脂成分，更佳為含浸50~300質量份的樹脂成分。當樹脂成分的含浸量為30質量份以上時，電極基材的機械特性、導電性、熱傳導性佳，所以是理想的。另一方面，當樹脂成分的含浸量為400質量份以下時，電極基材之面內方向的氣體擴散性及面直方向的氣體擴散性優異，所以是理想的。
<貼合、熱處理>
本發明中，可在形成於含碳纖維的抄紙體中含浸有樹脂組成物而成的預備含浸體後，在進行碳化之前，先進行預備含浸體的貼合或熱處理。
本發明中，為了將電極基材設成既定的厚度，可貼合複數片的預備含浸體。於此情況，可貼合複數片具有同一性狀的預備含浸體，也可貼合複數片具有不同性狀的預備含浸體。具體而言，亦可貼合碳纖維的 平均直徑、平均長度、抄紙體的碳纖維單位面積質量、樹脂成分的含浸量等不同的複數片預備含浸體。
本發明中，為了將樹脂組成物進行增稠、部分交聯，可將預備含浸體進行熱處理。熱處理的方法，係可使用噴吹熱風之方法、夾持在加壓裝置等的熱板以進行加熱之方法、夾持在連續帶以進行加熱之方法等。
<碳化>
本發明中，將樹脂組成物浸漬於含碳纖維的抄紙體後，為了進行碳化，在惰性氣體環境下進行燒成。此燒成可使用批次式加熱爐，亦可使用連續式加熱爐。又，惰性氣體環境係可藉由將氮氣、氬氣等的惰性氣體流通於爐內而獲得。
本發明中，燒成的最高溫度較佳係在1300~3000℃的範圍內，更佳係在1700~3000℃的範圍內，再更佳係在1900~3000℃的範圍內。當最高溫度為1300℃以上時，樹脂成分會進行碳化，電極基材的導電性、熱傳導性優異，所以是良好的。另一方面，當最高溫度為3000℃以下時，加熱爐的運轉成本變低，故較佳。
本發明中，在燒成之際，升溫速度較佳係在80~5000℃/分的範圍內。當升溫速度為80℃以上時，由於生產性優異，故較佳。另一方面，為5000℃以下時，由於樹脂成分的碳化緩和地進行而形成緻密的構造，所以電極基材的導電性、熱傳導性優異，故較佳。
此外，本發明中，係將樹脂組成物含浸於含碳纖維的抄紙體後進行碳化者記載為「碳纖維燒成體」。
<撥水加工>
本發明中，為了提升排水性，較佳為對碳纖維燒成體實施撥水加工。撥水加工係可藉由將潑水材塗布於碳纖維燒成體並施以熱處理來進行。此處，由耐腐蝕性佳這點來看，較佳為使用氟系聚合物作為撥水材。以氟系聚合物而言，可列舉：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)等。撥水材的塗布量係以相對於碳纖維燒成體100質量份，較佳為1~50質量份，更佳為3~40質量份。當撥水材的塗布量為1質量份以上時，電極基材的排水性優異，故較佳。另一方面，為50質量份以下時，電極基材的導電性優異，故較佳。
碳纖維燒成體的撥水加工較佳為設成：在碳纖維燒成體的表背面，撥水材的量是不同的。亦即，在使用於氣體擴散電極基材之電極基材的一側與該側的相反側，氟相對於碳的比率是不同的，較佳為在氟相對於碳的比率較多的那側的面配置微孔層。藉由在氟相對於碳的比率較多的那側的面配置微孔層，用以形成微孔層的碳塗液變得難以滲入電極基材，可進一步抑制透印。其結果，電極基材之面內方向的氣體擴散性可進一步提升，燃料電池的發電性能可進一步提升。又，由於碳塗液更難以滲入電極基材，且微孔層以更佳的厚度形成於電極基材表層，故藉由生成水的逆擴散，可進一步抑制電解質膜的乾燥，也可進一步抑制乾化。
本發明中，在電極基材的一側與該側的相反側，氟相對於碳的比率不同是指：後述之電極基材中撥水材分布的指標大於1.5的狀態。撥水材分布的指標較佳是在2~10的範圍內，更佳是在4~8的範圍內。當撥水材分布的指標為2以上，且在氟相對於碳的比率較多的那側的面配置微孔層時，用以形成微孔層的碳塗液變得難以滲入電極基材，可進一步抑制透印。當撥水材分布的指標小於10，且在氟相對於碳的比率較多的那側的面配置微孔層時，由於可進一步保持隔離件側的撥水性，所以可進一步促進在隔離件與氣體擴散電極基材的界面的排水。
本發明中，撥水材分布的指標係以如下方式求得。首先，使用以離子束剖面加工裝置所製得之電極基材的厚度方向的剖面觀察用樣品，以加速電壓10kV、放大倍率400倍的條件進行掃描型電子顯微鏡(SEM)-EDX測量，而得到厚度方向之剖面的碳及氟的元素分佈影像。其次，將所得到之厚度方向的剖面的元素分佈影像，在電極基材之一側的面與該側相反側的面的中間分割為兩部分，在配置微孔層的那側(微孔層側)與該側的相反側(隔離件側)，分別算出氟的信號強度之平均值相對於碳的信號強度之平均值的比率(F/C比)，進而算出微孔層側的F/C比相對於隔離件側的F/C比之比率(微孔層側/隔離件側)，而作為撥水劑分布的指標。
當使用元素分佈影像無法求得F/C比時，也可使用SEM-EDX之線掃描測量的結果。進行線掃描時， 以掃描寬度20μm、線掃描間隔50μm進行5次以上的測量，在微孔層側和隔離件側分別算出F/C比。當在厚度方向上分割成兩部分，即在微孔層側和隔離件側進行分割之際，在難以辨識微孔層側的面、隔離件側的面的情況下，可使用上述之剖面觀察用樣品，並使用以加速電壓10kV、放大倍率400倍的條件所拍攝的掃描型電子顯微鏡影像，來決定電極基材的厚度。以掃描型電子顯微鏡而言，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。以X射線能量散布分析儀而言，可使用(股)堀場製作所EX-220SE或與其同等的產品。此外，在因無法取得電極基材等的原因，而無法求出電極基材中之撥水分布的指標時，可使用氣體擴散電極基材或膜電極接合體之厚度方向的剖面觀察用樣品，且以利用上述方法所求得的撥水分布的指標來代替。
關於在碳纖維燒成體的表背面改變撥水材的量的方法，具有：將撥水材透過模塗布機(die coater)等從一側塗布於碳纖維燒成體的方法；及使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且加以含浸，然後擦拭單面的方法等。其中，在使用於本發明之低單位面積質量的電極基材中，由於空隙率較大，厚度較小，撥水加工時撥水材容易擴展到電極基材全體，故較佳的方法是使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且加以含浸，然後擦拭單面的方法。關於使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且加以含浸，然後擦拭單面的方法，可 列舉：使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且含浸後，接觸布等的方法；使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且含浸後，利用抽吸泵從單面抽吸撥水材的方法；使碳纖維燒成體浸漬於撥水材分散液，於厚度方向均勻地塗布且含浸後，使輥接觸單面的方法等。
此外，本發明中，碳纖維燒成體相當於「電極基材」。如上所述，碳纖維燒成體可依需要實施撥水加工，而在本發明中，已實施撥水加工的碳纖維燒成體亦相當於「電極基材」(未實施撥水加工的碳纖維燒成體當然相當於「電極基材」)。
<微孔層、微孔部的形成>
微孔層係可藉由在電極基材的單面，至少塗布含縱橫比是在30~5000範圍內之線狀碳的碳塗液而形成。
碳塗液可含有水或有機溶劑等的分散介質，亦可含有界面活性劑等的分散輔助劑。作為分散介質，較佳為水，更佳為分散輔助劑中使用非離子性界面活性劑者。又，亦可含有如前述之特定縱橫比的線狀碳以外的各種碳系填料或撥水材。
對電極基材塗布碳塗液，係可使用市售的各種塗布裝置來進行。以塗布方式而言，係可使用網版印刷、旋轉篩印刷、噴灑噴霧、凹版印刷、照相凹版印刷(gravure priting)、模塗布機(die coater)塗布、棒式塗布(bar coating)、刀塗布(blade coating)等。以上例示的塗布方法僅為例示，未必受限於此。
較佳為在將碳塗布液塗布於電極基材後，以80~120℃的溫度將塗料乾燥。亦即，將塗布物投入設定在80~120℃的溫度之乾燥機中，並在5~30分鐘的範圍進行乾燥。乾燥風量只要適當設定即可，急遽的乾燥會有引發表面的微小龜裂之情況，故不理想。
依此方式，碳塗液中的固體成分(碳系填料、撥水材、界面活性劑等)在乾燥後會殘留，而形成微孔層。
在電極基材配置微孔層和微孔部時，較佳為將單面塗布有碳塗液的塗布物加以乾燥後，於另一面塗布碳塗液，再次乾燥。將塗布物投入設定在80~120℃的溫度之乾燥機中，並在5~30分鐘的範圍進行乾燥。乾燥風量只要適當設定即可，急遽的乾燥會有引發表面的微小龜裂之情況，故不理想。乾燥後的塗布物較佳為投入蒙孚爐或燒成爐或高溫型乾燥機，以300~380℃加熱5~20分鐘的時間，將撥水材熔融，作成導電性填料彼此的黏合劑以形成微孔層。
<膜電極接合體>
本發明中，可藉由將前述氣體擴散電極基材接合於雙面具有觸媒層之固體高分子電解質膜的至少一面，而構成膜電極接合體。此時，藉由在觸媒層側配置微孔層，更容易引起生成水的逆擴散，而且觸媒層和氣體擴散電極基材的接觸面積會増大，可降低接觸電阻。在電極基材配置微孔層和微孔部時，藉由將微孔部配置於隔離件側，微孔部可發揮作為導電通路的功用，可提升導電性。又，由於微孔部的面積率小，所以來自電極基材的排水不會受到阻礙，能抑制氾流。
<燃料電池>
本發明的燃料電池係在上述膜接合體的兩側具有隔離件。亦即，藉由在上述膜電極接合體的兩側設置隔離件而構成燃料電池。一般而言，係藉由在此膜電極接合體的兩側隔著墊圈積層複數個被隔離件所夾持者，而構成固體高分子型燃料電池。觸媒層係由包含固體高分子電解質和觸媒載持碳的層所構成。作為觸媒，一般係使用白金。在供給含一氧化碳的改質氣體至陽極側的燃料電池時，較佳為使用白金及釕作為陽極側的觸媒。固體高分子電解質較佳為使用質子傳導性、耐氧化性、耐熱性高的全氟磺酸系高分子材料。此燃料電池單元和燃料電池的構成本身乃為周知者。
[實施例]
以下，依據實施例具體地說明本發明。實施例中使用的材料、電極基材及氣體擴散電極基材的製作方法、燃料電池的電池性能評價方法係顯示如下。
<電極基材的製作>
‧單位面積質量25g/m2之電極基材的製作
將TORAY(股)製聚丙烯腈系碳纖維“TORAYCA(登錄商標)”T300(平均碳纖維直徑：7μm)切成平均長度12mm，使之分散於水中並利用濕式抄紙法連續地抄紙。再者，將作為黏合劑之10質量%的聚乙烯醇水溶液塗布於該抄紙，使之乾燥，而製得碳纖維單位面積質量15.5g/m2的抄紙體。相對於100質量份的抄紙體，聚乙烯醇的塗布量為22質量份。
使用以1：1的重量比混合有可溶型酚樹脂和酚醛清漆型酚樹脂而成的樹脂作為熱硬化性樹脂，使用鱗片狀石墨(平均粒徑5μm)作為碳系填料，使用甲醇作為溶劑，以熱硬化性樹脂/碳系填料/溶劑=10質量份/5質量份/85質量份的摻合比將此等加以混合，使用超音波分散裝置進行1分鐘的攪拌，而獲得均勻分散的樹脂組成物。
將切成15cm×12.5cm的抄紙體浸漬在裝滿鋁盤的樹脂組成物，以相對於碳纖維100質量份，樹脂成分(熱硬化性樹脂+碳系填料)為130質量份的方式含浸之後，在100℃下進行5分鐘的加熱並使之乾燥，而製成預備含浸體。其次，一邊利用平板壓機(press)進行加壓，一邊在180℃下進行5分鐘的熱處理。此外，加壓時將間隔物配置於平板壓機，以熱處理後的預備含浸體的厚度成為130μm的方式調整上下加壓面板的間隔。
將預備含浸體經熱處理後所得的基材，導入在加熱爐中保持為氮氣環境之最高溫度為2400℃的加熱爐，而獲得碳纖維燒成體。
相對於碳纖維燒成體95質量份，利用撥水加工方法A或撥水加工方法B賦予5質量份的PTFE樹脂，製得單位面積質量25g/m2、厚度100μm的電極基材。
撥水加工方法A：藉由將碳纖維燒成體浸漬於PTFE樹脂的水分散液(將“POLYFLON”(註冊商標)PTFE分散液D-1E(Daikin工業(股)製)稀釋成相對於碳纖維燒成體95質量份，賦予5質量份的PTFE樹脂之 適當的濃度來使用)，在碳纖維燒成體塗布PTFE樹脂，予以含浸，在溫度為100℃的乾燥機爐內加熱5分鐘並加以乾燥。乾燥時，將碳纖維燒成體垂直地配置，以PTFE樹脂之面內方向的分布不會偏移的方式每隔一分鐘改變上下方向。
撥水加工方法B：藉由將碳纖維燒成體浸漬於PTFE樹脂的水分散液(將“POLYFLON”(註冊商標)PTFE分散液D-1E(Daikin工業(股)製)稀釋成相對於碳纖維燒成體95質量份，賦予5質量份的PTFE樹脂之適當的濃度來使用)，在碳纖維燒成體塗布PTFE樹脂，予以含浸，使單面接觸施以鍍硬鉻之直徑100mm的不鏽鋼製輥，擦掉單面的PTFE樹脂之後，在溫度為100℃的乾燥機爐內加熱5分鐘並加以乾燥。乾燥時，將碳纖維燒成體擦掉PTFE樹脂的那面向下的方式配置成水平。
‧單位面積質量20g/m2之電極基材的製作
除了將碳纖維單位面積質量設成15.5g/m2以外，其餘部分係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，而製得單位面積質量20g/m2、厚度90μm的電極基材。此外，撥水加工係根據撥水加工方法B所記載的方法。
‧單位面積質量33g/m2之電極基材的製作
除了將樹脂成分設成210質量份以外，其餘部分係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，而製得單位面積質量33g/m2、厚度100μm的電極基材。此外，撥水加工係根據撥水加工方法A所記載的方法。
‧單位面積質量37g/m2之電極基材的製作
除了將樹脂成分設成250質量份以外，其餘部分係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，而製得單位面積質量37g/m2、厚度100μm的電極基材。此外，撥水加工係根據撥水加工方法A所記載的方法。
‧單位面積質量44g/m2之電極基材的製作
除了將碳纖維單位面積質量改變成20g/m2，將樹脂成分改變成210質量份以外，其餘部分係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，而製得單位面積質量44g/m2、厚度110μm的電極基材。此外，撥水加工係根據撥水加工方法A所記載的方法。
‧單位面積質量84g/m2之電極基材的製作
除了積層兩片碳纖維單位面積質量改變成20g/m2、樹脂成分改變成190質量份而製成的預備含浸體，且一邊用平板壓機加壓一邊進行熱處理之外，其餘部分係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，而製得單位面積質量84g/m2、厚度190μm的電極基材。此外，撥水加工係根據撥水加工方法A所記載的方法。
<微孔層、微孔部的形成> <材料>
C：縱橫比在30~5000的範圍內的線狀碳
‧汽相成長碳纖維“VGCF”(註冊商標)(昭和電工(股)製，平均直徑：0.15μm，平均纖維長：8μm，縱橫比：50，線狀碳的一種)
‧汽相成長碳纖維“VGCF-S”(註冊商標)(昭和電工(股)製，平均直徑：0.10μm，平均纖維長：11μm，縱橫比：110，線狀碳的一種)
‧多層奈米碳管(Cheap Tubes公司製，平均直徑：0.015μm，平均纖維長：20μm，縱橫比：1300，線狀碳的一種)
‧薄片石墨“xGnP”(註冊商標)等級M(XG Sciences公司製，平均粒子徑：5μm，平均厚度：0.006μm，縱橫比：830)
D：縱橫比不包含在30~5000的範圍內的碳系填料
‧乙炔黑“DENKA BLACK”(註冊商標)(電氣化學工業(股)製，平均粒子徑：0.035μm，縱橫比：1，碳黑的一種)
‧爐黑“VULCAN”(註冊商標)XC72C(Cabot公司製，平均粒子徑：0.030μm，縱橫比：1，碳黑的一種)
F：撥水材
‧PTFE樹脂(使用含60質量份的PTFE樹脂的水分散液之“POLYFLON”(註冊商標)PTFE分散液D-1E(Daikin工業(股)製))
G：其它
‧界面活性劑“TRITON”(註冊商標)X-10)(NACALAI TESQUE(股)製)
(觸媒層側)
使用縫模塗布機在電極基材形成面狀微孔層。此處使用的碳塗液係使用：使用碳系填料、撥水材、界面活性劑、精製水，調整成如表1~4所示之以質量份記載摻合量之碳塗液的組成。此外，表1~4所示之PTFE樹脂的摻合量不是PTFE樹脂之水分散液的摻合量，而是表示PTFE樹脂本身的摻合量。使用模塗布機塗布碳塗液後，以120℃進行10分鐘的加熱，以380℃進行10分鐘的加熱，而形成微孔層。使用撥水加工方法B的電極基材時，係在撥水材分布的指標大的那側的面形成微孔層。在隔離件側配置微孔部時，係在隔離件側形成微孔部並加以乾燥後，在觸媒層側形成微孔層。
(隔離件側)
使用將線寬0.5mm、線間隔2mm的直線正交之格子狀圖案部分以外的部分用樹脂加以遮罩之網版印刷版，在電極基材的隔離件側形成面積率36%的格子狀圖案模樣的微孔部。此處使用的碳塗液係使用：使用薄片石墨和乙炔黑、撥水材、界面活性劑、精製水作為碳系填料，且以薄片石墨/乙炔黑/撥水材/界面活性劑/精製水=5.8質量份/1.9質量份/2.5質量份/14質量份/75.8質量份的方式進行調整後所得者。使用網版印刷板在電極基材塗布碳塗液之後，以120℃加熱10分鐘，而形成微孔部。
<固體高分子型燃料電池的發電性能評價>
藉由依序添加白金載持碳(田中貴金屬工業(股)製，白金載持量：50質量%)1.00g、精製水1.00g、“Nafion”(登錄商標)溶液(Aldrich公司製“Nafion”(登錄商標)5.0質量%)8.00g、異丙醇(NACALAI TESQUE公司製)18.00g，而作成觸媒液。
其次，在切成7cm×7cm的“NAFLON”(登錄商標)PTFE帶“TOMBO”(登錄商標)No.9001((NICHIAS(股)製)上，以噴灑方式塗布觸媒液，在室溫下使之乾燥，而製得帶有白金量為0.3mg/cm2之觸媒層的PTFE片。接著，用兩片帶有觸媒層的PTFE片夾住切成10cm×10cm的固體高分子電解質膜“Nafion”(登錄商標)NRE-211CS(DuPont公司製)，一面用平板壓機加壓到5MPa，一面於130℃下加壓5分鐘，而將觸媒層轉印於固體高分子電解質膜。加壓後，將PTFE片剝離，而製得帶有觸媒層的固體高分子電解質膜。
其次，用切成7cm×7cm的兩片氣體擴散電極基材夾住帶有觸媒層的固體高分子電解質膜，一面以平板壓機加壓到3MPa，一面於130℃下加壓5分鐘，而製得膜電極接合體。此外，氣體擴散電極基材係以其具有面狀微孔層的面與觸媒層側相接的方式配置。
將所得的膜電極接合體組入燃料電池評價用單顆電池，測定使電流密度變化時的電壓。在此，作為隔離件，係使用槽寬度1.5mm、槽深度1.0mm、肋條寬度1.1mm之一條流路的蛇紋石型隔離件。又，對陽極側 供給無加壓的氫，對陰極側供給無加壓的空氣，並進行評價。此外，氫、空氣均是藉由設定為70℃的增濕瓶進行增濕。又，氫、空氣中的氧的利用率分別設為80%、67%。
首先，測定運轉溫度設為65℃、增濕溫度設為70℃、電流密度設為2.2A/cm2時的輸出電壓，作為耐氾流性(低溫性能)的指標使用。
接著，將增濕溫度設為70℃，電流密度設為1.2A/cm2，將運轉溫度從80℃保持5分鐘，一面反覆進行每5分鐘上升1℃，一面測量輸出電壓，求出可發電的臨界溫度，作為耐乾化性(高溫性能)的指標使用。
<電阻的測量>
氣體擴散電極基材的電阻係以下列方式求得：將切成2.23mm×2.23mm的氣體擴散電極基材夾持在2片鍍金板之間，並施加1.0MPa之一樣的表面壓力時，流通1.0A的電流，測量電阻並乘以面積而求得。表面壓力愈高，氣體擴散電極基材的構造會受到破壞而無法正確地測量電阻值，故較佳為以較低的表面壓力測量電阻並進行比較。作為燃料電池用氣體擴散電極基材使用時，電阻較佳為9.0mΩ‧cm2以下，更佳為7.5mΩ‧cm2以下。
<面直氣體穿透阻力的測量>
氣體擴散電極基材的面直氣體穿透阻力為：使用從氣體擴散電極基材切出之直徑4.7cm的圓形樣品，使空氣以58cc/min/cm2的流速從微孔層側的面穿透其相反面時，用差壓計測量微孔層側的面與其相反面的差壓，而設為面直氣體穿透阻力。
<撥水材分布之指標的測量>
電極基材之撥水材分布的指標係以下列方式求出。首先，使用以離子束剖面加工裝置所製得之電極基材在厚度方向的剖面觀察用樣品，以加速電壓10kV、放大倍率400倍的條件進行掃描型電子顯微鏡(SEM)-EDX測量，而得到厚度方向之剖面的碳及氟的元素分佈影像。其次，將所得到之厚度方向的剖面的元素分佈影像，在電極基材之一側的面與該側相反側的面的中間分割為兩部分，在配置微孔層的那側(微孔層側)與該側的相反側(隔離件側)，分別算出氟的信號強度之平均值相對於碳的信號強度之平均值的比率(F/C比)，進而算出微孔層側的F/C比相對於隔離件側的F/C比之比率(微孔層側/隔離件側)，而作為撥水劑分布的指標。關於掃描型電子顯微鏡，係使用(股)日立製作所製S-4800，關於X射線能量散布分析儀，係使用(股)堀場製作所EX-220SE。關於氣體擴散電極基材，也是利用上述方法來求出撥水分布的指標。氣體擴散電極基材的剖面中之電極基材部分的識別，係使用以加速電壓10kV、放大倍率400倍的條件所拍攝到掃描型電子顯微鏡影像來進行。
(實施例1)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維。對此 氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度為90℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為8.6mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均良好。
(實施例2)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度為91℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為8.5mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均良好。
(實施例3)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.40V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度為92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.5mΩ‧cm2，耐氾流性與導電性極良好，耐乾化性亦佳。對塗布碳塗液前之電極基 材的剖面的撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指標為1。塗布碳塗液並加以乾燥後，對氣體擴散電極基材的剖面的撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指標為1.2。
(實施例4)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.38V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度90℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為9.0mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均良好。
(實施例5)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.40V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.4mΩ‧cm2，耐氾流性與導電性極良好，耐乾化性亦佳。
(實施例6)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的多層奈米碳管、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.41V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.3mΩ‧cm2，耐氾流性與導電性極良好，耐乾化性亦佳。
(實施例7)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表1所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、爐黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.40V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.4mΩ‧cm2，耐氾流性與導電性極良好，耐乾化性亦佳。
(實施例8)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔 黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度91℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為8.9mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均良好。
(實施例9)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.42V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.4mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均極良好。
(實施例10)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度90℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.2mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性良好，導電性極良好。
(實施例11)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.38V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.4mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性良好，導電性極良好。
(實施例12)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層且在隔離件側具有面積率36%的微孔部之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.40V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.4mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均極良好。
(實施例13)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層且在隔離件側具有面積率 36%的微孔部之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為5.6mΩ‧cm2，耐氾流性良好，耐乾化性、導電性極良好。
(實施例14)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表2所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層且在隔離件側具有面積率36%的微孔部之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.42V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為5.3mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均極良好。
(實施例15)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.41V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電 流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.4mΩ‧cm2，耐氾流性與導電性極良好，耐乾化性亦佳。
(實施例16)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.38V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度89℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為9.1mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性良好。
(實施例17)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.39V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度89℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為5.8mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性良好，導電性極良好。
(實施例18)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.40V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度92℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為8.2mΩ‧cm2，耐氾流性極良好，耐乾化性、導電性均良好。對塗布碳塗液之前的電極基材的剖面之撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指標為5.0。在塗布碳塗液並加以乾燥之後，對氣體擴散電極基材的剖面之撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指標為5.5。
(實施例19)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.41V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.1mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均極良好。對塗布碳塗液之前的電極基材的剖面之撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指 標為5.0。在塗布碳塗液並加以乾燥之後，對氣體擴散電極基材的剖面之撥水材分布進行測量的結果，撥水材分布的指標為5.5。
(實施例20)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表3所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層且在隔離件側具有面積率36%的微孔部之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.41V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度93℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.0mΩ‧cm2，耐氾流性、耐乾化性、導電性均極良好。
(比較例1)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.30V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度85℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.5mΩ‧cm2，導電性極良好，但耐氾流性、耐乾化性不足。
(比較例2)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層之氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.35V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度88℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為9.2mΩ‧cm2，耐氾流性良好，耐乾化性、導電性均不足。
(比較例3)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.33V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電 流密度2.2A/cm2)，臨界溫度86℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.3mΩ‧cm2，導電性極良好，但耐氾流性稍微降低，耐乾化性不足。
(比較例4)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維、乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.37V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度87℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為5.8mΩ‧cm2，導電性極良好，耐氾流性良好，耐乾化性不足。
(比較例5)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.32V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度86℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為7.4mΩ‧cm2，導電性極良好，但耐氾流性稍微降低，耐乾化性不足。
(比較例6)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有特定縱橫比的汽相成長碳纖維。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.36V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度86℃(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為6.9mΩ‧cm2，導電性極良好，耐氾流性良好，耐乾化性不足。
(比較例7)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，獲得如表4所示在電極基材的觸媒層側具有面狀微孔層的氣體擴散電極基材，其中該面狀微孔層含有乙炔黑。對此氣體擴散電極基材的發電性能進行評價，結果為：輸出電壓0.35V(運轉溫度65℃，增濕溫度70℃，電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度88℃為(增濕溫度70℃，電流密度1.2A/cm2)，電阻為9.2mΩ‧cm2，耐氾流性良好，耐乾化性、導電性均不足。
(比較例8)
根據<電極基材的製作>及<微孔層、微孔部的形成>所記載的方法，除了將碳纖維單位面積質量設為7.8g/m2以外，其餘步驟係根據上述之單位面積質量25g/m2之電極基材的製作所記載的方法，嘗試製作單位面積質量10g/m2的電極基材、表4所示在電極基材的觸 媒層側具有含乙炔黑的面狀微孔層之氣體擴散電極基材，然而在抄紙步驟中基材破裂，無法獲得碳纖維抄紙體。

Claims (8)

  1. 一種燃料電池用氣體擴散電極基材，其係在電極基材的單面配置有微孔層之燃料電池用氣體擴散電極基材，其特徵為：電極基材的細孔徑是在30~80μm的範圍內，微孔層的空隙率是在60~85%的範圍內，在微孔層含有縱橫比在30~5000的範圍內的線狀碳，且氣體擴散電極基材的單位面積質量是在30~60g/m2的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中微孔層的單位面積質量是在10~35g/m2的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中氣體擴散電極基材的厚度是在70~190μm的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第2項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中氣體擴散電極基材的厚度是在70~190μm的範圍內。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中面直方向的氣體穿透阻力是在15~190mmAq的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第5項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中在使用於氣體擴散電極基材之電極基材的單面及其反面，氟相對於碳的比率不同，在氟相對於碳的比率較多的那一面配置有微孔層。
  7. 如申請專利範圍第6項之燃料電池用氣體擴散電極基 材，其中在微孔層含有碳黑，碳黑相對於縱橫比在30~5000範圍內的線狀碳之混合質量比是在0.5~20的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中在電極基材的不同於配置有微孔層之面的另外一面，配置有面積率在5~70%的範圍內的微孔部。
TW102129941A 2012-08-24 2013-08-22 Gas diffusion electrode substrate for fuel cell TWI573313B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012184930 2012-08-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201415702A TW201415702A (zh) 2014-04-16
TWI573313B true TWI573313B (zh) 2017-03-01

Family

ID=50149862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102129941A TWI573313B (zh) 2012-08-24 2013-08-22 Gas diffusion electrode substrate for fuel cell

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9972847B2 (zh)
EP (1) EP2889939B1 (zh)
JP (1) JP6206186B2 (zh)
KR (1) KR102121822B1 (zh)
CN (1) CN104584292B (zh)
CA (1) CA2879283C (zh)
TW (1) TWI573313B (zh)
WO (1) WO2014030553A1 (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3113264B1 (en) * 2014-02-24 2018-07-04 Toray Industries, Inc. Gas diffusion electrode substrate, and membrane electrode assembly and fuel cell equipped with the same
JP6489009B2 (ja) * 2014-02-24 2019-03-27 東レ株式会社 ガス拡散電極基材
JP6357923B2 (ja) * 2014-07-01 2018-07-18 東レ株式会社 ガス拡散電極、その製造方法および製造装置
EP3228588B1 (en) 2014-10-17 2020-04-29 Toray Industries, Inc. Carbon sheet, gas diffusion electrode base material, and fuel cell
KR102460151B1 (ko) 2014-11-11 2022-10-31 도레이 카부시키가이샤 가스 확산 전극 기재 및 가스 확산 전극 기재의 제조 방법
KR102587488B1 (ko) * 2015-04-24 2023-10-11 도레이 카부시키가이샤 가스 확산 전극 기재 및 그의 제조 방법
CN107851805A (zh) * 2015-08-27 2018-03-27 东丽株式会社 气体扩散电极
WO2017047515A1 (ja) * 2015-09-18 2017-03-23 東レ株式会社 ガス拡散電極とその製造方法
JP6798102B2 (ja) * 2015-11-06 2020-12-09 凸版印刷株式会社 電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、および、電極触媒層の製造方法
KR20180095845A (ko) * 2015-12-24 2018-08-28 도레이 카부시키가이샤 가스 확산 전극
CN109314252B (zh) * 2016-09-29 2021-11-19 东丽株式会社 气体扩散电极和燃料电池
CN106876743B (zh) * 2017-03-16 2019-07-23 厦门大学 一种燃料电池气体扩散层结构
JP2020155386A (ja) * 2019-03-22 2020-09-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
WO2021009929A1 (ja) 2019-07-18 2021-01-21 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システム
WO2021009928A1 (ja) * 2019-07-18 2021-01-21 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システム
JP7234902B2 (ja) * 2019-11-01 2023-03-08 株式会社豊田中央研究所 自立型マイクロポーラス層
KR20220096257A (ko) * 2020-12-30 2022-07-07 주식회사 제이앤티지 두께 방향의 관통 경로 및/또는 발수성 수지의 농도 기울기를 갖는 미세다공성층을 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지
CN115000446B (zh) * 2022-07-22 2024-05-31 上海电气集团股份有限公司 一种气体扩散层及其制备方法、膜电极、电池和应用
KR102568618B1 (ko) * 2022-12-08 2023-08-23 주식회사 엔바이오니아 연료전지용 기체확산층 및 그 제조방법
KR102544711B1 (ko) * 2022-12-08 2023-06-21 주식회사 에프씨엠티 상이한 형상을 갖는 2종의 카본을 활용한 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막전극접합체

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4435466B2 (ja) * 2002-08-12 2010-03-17 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの組み立て方法
JP4868711B2 (ja) * 2004-03-26 2012-02-01 日本バイリーン株式会社 ガス拡散電極前駆体、ガス拡散電極、燃料電池、及びガス拡散電極前駆体の製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3444530B2 (ja) 1998-10-13 2003-09-08 松下電器産業株式会社 燃料電池
JP5055682B2 (ja) 2003-03-27 2012-10-24 東レ株式会社 多孔質炭素板およびその製造方法
JP4190478B2 (ja) 2004-10-22 2008-12-03 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池
JP2008201005A (ja) * 2007-02-20 2008-09-04 Toho Tenax Co Ltd 炭素繊維シート及びその製造方法
CN101320819A (zh) * 2007-06-05 2008-12-10 上海清能燃料电池技术有限公司 一种电化学制氧电池及装置
TWI380498B (en) * 2008-02-22 2012-12-21 Univ Chung Yuan Christian Formation of a single-layer gas diffusion layer and application thereof
JP5417819B2 (ja) * 2008-11-26 2014-02-19 日産自動車株式会社 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
JP5482066B2 (ja) * 2009-09-30 2014-04-23 大日本印刷株式会社 燃料電池用のマイクロポーラス層、マイクロポーラス層付きガス拡散電極、マイクロポーラス層付き触媒層、触媒層付きガス拡散電極及び膜−電極接合体、並びに固体高分子形燃料電池
WO2011074327A1 (ja) * 2009-12-18 2011-06-23 日産自動車株式会社 燃料電池用ガス拡散層及びこれを用いた膜電極接合体

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4435466B2 (ja) * 2002-08-12 2010-03-17 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの組み立て方法
JP4868711B2 (ja) * 2004-03-26 2012-02-01 日本バイリーン株式会社 ガス拡散電極前駆体、ガス拡散電極、燃料電池、及びガス拡散電極前駆体の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20150207151A1 (en) 2015-07-23
WO2014030553A1 (ja) 2014-02-27
KR20150046102A (ko) 2015-04-29
EP2889939A4 (en) 2016-01-13
EP2889939B1 (en) 2018-07-04
CN104584292A (zh) 2015-04-29
JPWO2014030553A1 (ja) 2016-07-28
CN104584292B (zh) 2017-08-22
US9972847B2 (en) 2018-05-15
EP2889939A1 (en) 2015-07-01
KR102121822B1 (ko) 2020-06-11
CA2879283C (en) 2020-08-04
JP6206186B2 (ja) 2017-10-04
TW201415702A (zh) 2014-04-16
CA2879283A1 (en) 2014-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI573313B (zh) Gas diffusion electrode substrate for fuel cell
JP6489009B2 (ja) ガス拡散電極基材
WO2014126002A1 (ja) 燃料電池用ガス拡散層、およびその製造方法
TWI574453B (zh) 燃料電池用氣體擴散電極基材
JP6070889B2 (ja) 炭素シート、ガス拡散電極基材および燃料電池
JP5835527B1 (ja) ガス拡散電極基材ならびにそれを備える膜電極接合体および燃料電池
TWI644477B (zh) 氣體擴散電極基材以及具備其之膜電極接合體及燃料電池
JP6686437B2 (ja) ガス拡散電極基材およびガス拡散電極基材の製造方法
JP6330282B2 (ja) 燃料電池用ガス拡散電極基材およびその製造方法
WO2016060045A1 (ja) 炭素シート、ガス拡散電極基材、および燃料電池
JPWO2020066191A1 (ja) ガス拡散層、膜電極接合体および燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees