碳片、气体扩散电极基材和燃料电池制造技术

本发明专利技术的目的之一在于提供一种碳片，其在气体扩散电极基材中通过大幅提高气体扩散性和排水性从而耐溢流性优异，即便在较低温度且高电流密度区域工作时，也能够表现出高发电性能，进而适合用于机械特性、导电性和导热性优异的气体扩散电极基材。用于实现上述目的的本发明专利技术的碳片的实施方式之一是一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在测定表面的深度分布，将一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率X，将另一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率Y时，上述表层面积率X比上述表层面积率Y大，其差为3％～12％。

Carbon sheet, gas diffusion electrode substrate and fuel cell

One of the purpose of the invention is to provide a carbon film, the diffusion electrode substrate through a substantial increase in resistance to the overflow of excellent gas diffusion and drainage in gas, even at low temperature and high current density region work, also can show high power performance, and is suitable for gas, electrical conductivity and thermal conductivity excellent mechanical properties, diffusion electrode substrate. For one of the carbon sheet of the invention embodiment is a carbon film, which is characterized in that the porous carbon sheet containing carbon fiber and adhesive materials, the depth distribution measurement surface, a surface area determination in depth of m below the 20 area ratio as the surface area ratio of X, the depth measuring area of another surface is m below the 20 area ratio for surface area was Y, the surface area of the surface area rate rate of X than Y, the difference is 3% ~ 12%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳片、气体扩散电极基材和燃料电池
本专利技术涉及适合用于燃料电池，特别是固体高分子型燃料电池的碳片，还涉及包含微孔层的气体扩散电极基材以及包含该气体扩散电极基材的燃料电池。
技术介绍
将含氢的燃料气体供给到阳极，将含氧的氧化气体供给到阴极，通过在两极发生的电化学反应得到电动势的固体高分子型燃料电池一般是依次层叠隔板、气体扩散电极基材、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极基材及隔板而构成的。对上述的气体扩散电极基材要求用于将由隔板供给的气体向催化剂层扩散的高气体扩散性、用于将伴随电化学反应产生的水向隔板排出的高排水性以及用于将产生的电流取出的高导电性，因此广泛使用以由碳纤维等构成的碳片为基材并在其表面形成微孔层的气体扩散电极基材。然而，作为这样的气体扩散电极基材的课题，已知有使固体高分子型燃料电池在低于70℃的较低温度且高电流密度区域工作时，大量生成的液体的水堵塞气体扩散电极基材，使气体的供给不足，结果发电性能降低这样的课题(以下，有时记载为溢流(flooding)。)。因此，对气体扩散电极基材要求更高的排水性。而且，为了解决该课题做了很多努力。例如，为了提高气体扩散性和排水性，提出了通过层叠多个使用了平均粒径不同的导电性粒子的层而使多孔度在表面和背面得到控制的燃料电池用气体扩散电极基材(参照专利文献1)；通过混合纤维长度不同的碳纤维而使细孔径在表面和背面得到控制的燃料电池用气体扩散电极基材(参照专利文献2)。另外，提出了在面垂直方向连续减少粘合材料的附着量的气体扩散电极基材的制作方法(参照专利文献3)。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2004－233537号公报专利文献2:日本特开2010－102879号公报专利文献3:日本特开2013－145640号公报
技术实现思路
然而，在专利文献1、专利文献2记载的专利技术中，由于个别地制作控制多孔度、细孔径的各层，层叠多个，所以碳片整体变厚。其结果，气体扩散性和排水性不充分，无法充分抑制溢流，因此发电性能依然不充分。另外，在专利文献3记载的专利技术中，由于从一面涂布成为粘合材料的树脂组合物，所以粘合材料的偏差大，为了保证整体的粘合会使一面的粘合材料量变多。其结果，气体扩散性反而变差，无法充分抑制溢流，所以发电性能依然不充分。因此，鉴于上述现有技术的背景，本专利技术的目的在于提供一种碳片，其在气体扩散电极基材中，通过大幅提高气体扩散性和排水性，从而使耐溢流性优异，即便在较低温度且高电流密度区域工作时，也能够表现出高发电性能，进而适用于机械特性、导电性和导热性优异的气体扩散电极基材。另外，本专利技术的另一个目的在于稳定地生产用现有的方法难以制作的具有充分的气体扩散性和排水性的薄碳片以及气体扩散电极基材。此外，本专利技术的又一个目的在于提供使用上述碳片作为基材而形成的气体扩散电极基材以及包含该气体扩散电极基材的燃料电池。为了解决上述的课题，本专利技术具有以下的构成。本专利技术的碳片的第一实施方式是一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在测定表面的深度分布，将一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积比例设为表层面积率X，将另一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积比例设为表层面积率Y时，上述表层面积率X比上述表层面积率Y大，其差为3％～12％。根据本专利技术的碳片的第一实施方式的优选方式，表层面积率X为13％～17％，表层面积率Y为9％～13％。根据本专利技术的碳片的第一实施方式的优选方式，将上述表层面积率X的表面设为面X1，将上述表层面积率Y的表面设为面Y1时，上述面X1的表面粗糙度比上述面Y1的表面粗糙度小，其差为1μm～4μm。根据本专利技术的碳片的第一实施方式的优选方式，将上述表层面积率X的表面设为面X1时，上述面X1的表面粗糙度为16μm以下。本专利技术的碳片的第二实施方式是一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，将由碳纤维和粘合材料对表面的被覆率大的一侧的表面设为面X2，将由碳纤维和粘合材料对表面的被覆率小的一侧的表面设为面Y2时，上述面X2和上述面Y2的上述被覆率的差为5％～20％。根据本专利技术的碳片的第二实施方式的优选方式，上述面X2的被覆率为70％～90％，上述面Y2的被覆率为50％～75％。根据本专利技术的碳片的第一实施方式或第二实施方式的优选方式，上述的碳片含有防水材料，在从离一个表面最近的具有50％平均氟强度的面到离另一个表面最近的具有50％平均氟强度的面的区间，针对将上述区间在上述碳片的面垂直方向进行3等分而得的层，在离一个表面近的层和离另一个表面近的层中，若将层的平均氟强度较大的层设为层A，将层的平均氟强度较小的层设为层B，并将层A与层B之间的层设为层C，则层的平均氟强度是按层A、层B、层C的顺序变小。根据本专利技术的碳片的第一实施方式或第二实施方式的优选方式，上述防水材料的熔点为200℃～320℃。根据本专利技术的碳片的第一实施方式或第二实施方式的优选方式，上述面Y1或上述面Y2的表面的水的滑落角(slidingangle)为40度以下。根据本专利技术的碳片的第一实施方式或第二实施方式的优选方式，将在1～100μm的范围具有直径的细孔的容积之和设为100％时，在50～100μm的范围具有直径的细孔的容积之和为17～50％，由堆积密度(ρb)和真密度(ρt)算出的空隙率((ρt－ρb)/ρt)为75～87％。根据本专利技术的碳片的第一实施方式或第二实施方式的优选方式，在1～100μm的细孔的直径范围具有最大容积的细孔的直径(峰值直径)在30～50μm的范围内。本专利技术的碳片的第三实施方式是一种碳片，其特征在于，在将具有直径在1～100μm的范围的细孔的容积之和设为100％时，具有直径在50～100μm的范围的细孔的容积之和为17～50％，由堆积密度(ρb)和真密度(ρt)算出的空隙率((ρt－ρb)/ρt)为75～87％。根据本专利技术的碳片的第三实施方式的优选方式，在1～100μm的细孔的直径范围具有最大容积的细孔的直径(峰值直径)在30～50μm的范围内。根据本专利技术，能够得到以往制作困难的耐溢流性优异的较薄的碳片。本专利技术的碳片能够提高特别是低温下的发电性能，适用于气体扩散电极基材。附图说明图1表示测定深度分布时，相对于深度，具有该深度的部分的面积所占的比例的曲线(profile)的示意图。图2是用于说明本专利技术的碳片的构成的截面示意图。图3是用于表示本专利技术的碳片的氟强度的求出方法的示意图。具体实施方式本专利技术的碳片的第一实施方式是一种碳片，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在测定表面的深度分布，将一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积比例设为表层面积率X，将另一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积比例设为表层面积率Y时，上述的表层面积率X比上述的表层面积率Y大，其差为3％～12％。本专利技术中，“表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积”如下定义：测定表面的深度分布，从该最外表面将离该最外表面侧近的具有深度的部分(离最外表面侧近的浅的部分)的面积累积起来，求出测定范围整体中到该累积面积成为2％为止的深度，以该深度为基准，求出从该基准到20μm深度为止的部分的面积的和，将该面积作为“表面的测定面积中深度为20μm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在测定表面的深度分布，将一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率X，将另一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率Y时，所述表层面积率X比所述表层面积率Y大，其差为3％～12％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.17 JP 2014-212518;2014.10.17 JP 2014-212511.一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在测定表面的深度分布，将一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率X，将另一个表面的测定面积中深度为20μm以下的部分的面积的比例设为表层面积率Y时，所述表层面积率X比所述表层面积率Y大，其差为3％～12％。2.根据权利要求1所述的碳片，其中，表层面积率X为13％～17％，表层面积率Y为9％～13％。3.根据权利要求1或2所述的碳片，其中，将表层面积率X的表面设为面X1，将表层面积率Y的表面设为面Y1时，所述面X1的表面粗糙度比所述面Y1的表面粗糙度小，其差为1μm～4μm。4.根据权利要求1～3中任一项所述的碳片，其中，将表层面积率X的表面设为面X1时，面X1的表面粗糙度为16μm以下。5.一种碳片，其特征在于，是含有碳纤维和粘合材料的多孔碳片，将由碳纤维和粘合材料对表面的被覆率大的一侧的表面设为面X2，将由碳纤维和粘合材料对表面的被覆率小的一侧的表面设为面Y2时，所述面X2与所述面Y2的所述被覆率的差为5％～20％。6.根据权利要求5所述的碳片，其中，所述面X2的被覆率为70％～90％，所述面Y2的被覆率为50％～75％。7.根据权利要求1～6中任一项所述的碳片，其中，碳片含有防水材料，在从离一个表面最近的具有50％平均氟强度的面到离另一个表面最近的具有50％平均氟强度的面的区间，针对...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷村宁昭，千田崇史，菅原透，宇都宫将道，釜江俊也，岨手胜也，安藤隆，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP