碳片材和其制造方法、气体扩散电极以及燃料电池技术

本发明专利技术提供适用于气体扩散电极的碳片材，所述气体扩散电极能够防止向设置在隔离膜上的气体流路塌陷，且不使垂直于面的方向的电阻恶化。实现上述目的的本发明专利技术的碳片材具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，将特定的区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中满足特定的条件的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体的厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10。0.10。0.10。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳片材和其制造方法、气体扩散电极以及燃料电池


[0001]本专利技术涉及碳片材和其制造方法、气体扩散电极以及燃料电池。

技术介绍

[0002]固体高分子型燃料电池通过向阳极供给包含氢气的燃料气体，向阴极供给包含氧气的氧化气体，通过在两个电极发生的电化学反应获得电动势。固体高分子型燃料电池一般而言，按顺序层叠隔离膜、气体扩散电极、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极、隔离膜而构成。对于气体扩散电极，需要用于将从隔离膜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生成的水向隔离膜排出的高排水性和用于提取产生的电流的高导电性。因此，广泛使用利用包含碳纤维的导电性多孔质基材、且在其表面形成微多孔层的气体扩散电极。
[0003]为了从气体扩散电极高效率地向催化剂层供给燃料气体(阳极侧：氢气、阴极侧：大气、氧气)，需要通过设置于与气体扩散电极相邻的隔离膜上的气体流路使燃料气体传递至面整体。此外，为了使从隔离膜到达气体扩散电极的燃料气体在气体扩散电极内高效率地扩散，对气体扩散电极的结构也进行了各种各样的提案。
[0004]例如，提出了构成气体扩散电极的碳片材具有纤维取向的气体扩散电极(专利文献1)。
[0005]此外，提出了层叠2～8张具有纤维取向的碳片材的气体扩散电极(专利文献2)。
[0006]此外，提出了层叠纤维取向强的碳片材和纤维取向弱的碳片材的气体扩散电极(专利文献3)。
[0007]此外，提出了在单层的厚度方向上具有纤维取向的梯度的气体扩散电极(专利文献4)。现有技术文献专利文献
[0008]专利文献1：日本特开2006
‑
222024号公报专利文献2：美国专利申请公开第2017/0301923号公报专利文献3：日本特开2013
‑
191435号公报专利文献4：韩国公开专利第2016
‑
0120060号公报

技术实现思路

专利技术要解决的课题
[0009]然而，专利文献1所述的专利技术中，在碳片材整体上纤维强取向，在取向方向上具有强度，但与纤维的取向方向正交的方向强度弱，有在运输时、加工时容易发生破裂、撕裂的问题。此外，在碳片材整体纤维强取向的情况下，纤维的取向方向的弯曲刚性变强，以相对于设置在隔离膜表面上的气体流路纤维取向大致垂直的方式配置，由此能够抑制碳片材向气体流路的塌陷，期望具有抑制供给燃料气体时的压力损失的效果，但另一方面，碳片材中
的树脂碳化物的分布偏重于纤维方向，由此存在碳片材的厚度方向(垂直于面的方向)的电阻恶化的问题。
[0010]专利文献2和专利文献3所述的专利技术中，层叠2层以上的碳片材，因此在发电时发生层间剥离，有因接点破坏而导致的电阻的恶化、剥离部位处的溢流而导致的发电性能的恶化的问题。此外，由于在制造多张碳片材后层叠，因加工步骤增加而导致生产率的恶化成为问题。
[0011]专利文献4所述的专利技术中，单层内具有厚度方向(垂直于面的方向)的纤维取向的梯度，但纤维强取向的区域中不存在厚度，因此有无法充分发挥碳片材向气体流路的塌陷抑制的问题。
[0012]本专利技术的目的在于，鉴于现有技术中的课题，提供制成气体扩散电极时垂直于面的方向的电阻不恶化、且能够防止向在隔离膜上施加的气体流路的塌陷的碳片材；以及提供包含该碳片材的气体扩散电极、和包含该气体扩散电极的燃料电池。用于解决课题的手段
[0013]为了解决上述课题，本专利技术具有以下的构成。即，本专利技术的碳片材具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将前述区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中具有与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差为
±
0.10以内的纤维取向度的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10。(在此，从碳片材的一个表面向另一个表面以每3.9μm测定面的填充率，接着求出所得面的填充率的平均值，50％填充率是所得平均值的50％的值。进一步，层的填充率是使用形成层的面的填充率得到的平均值。)专利技术效果
[0014]根据本专利技术，能够提供适用于气体扩散电极的碳片材，所述气体扩散电极能够使垂直于面的方向的电阻不恶化、且能够防止向设置于隔离膜的气体流路塌陷，这在以往是困难的。
附图说明
[0015]图1是包含本专利技术的气体扩散电极的燃料电池的示意图。图2是本专利技术的气体扩散电极的塌陷评价方法的示意图。图3是示出测定本专利技术的碳片材的厚度方向的纤维取向度时的相对于厚度方向的填充率分布的示意图。图4是示出本专利技术的碳片材的纤维取向度分布的示意图。图5是将本专利技术的碳片材的填充率分布区分为多层体X、多层体Y的示意图。图6是能够控制碳纤维抄纸体的纤维取向的抄纸机的一例的示意图。
具体实施方式
[0016]以下，针对本专利技术的实施方式进行说明，但本专利技术不限于这些实施方式。此外，为了读者理解，有时在说明书中的语句中标记附图的符号，但附图是例示，本专利技术不限于附图的实施方式。
[0017][碳片材]本专利技术的碳片材1具有第1表面11和位于第1表面的相反侧的第2表面12，从最接近第1表面的具有50％填充率15的面13至最接近第2表面的具有50％填充率的面14的区间中，将该区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层17时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由该层之中具有与该第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差为
±
0.10以内的纤维取向度的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域1
‑
1，将由该层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域1
‑
2时，该第1表面侧区域的厚度为碳片材整体厚度的40％以下，该第2表面侧区域的平均纤维取向度与该第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10。本专利技术中，“在厚度方向上进行20等分而设为20个层”是指如图3那样，碳片材的从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，在该碳片材的厚度方向10上进行20等分而得到的，碳片材整体的厚度是指上述区间的厚度。
[0018]本专利技术的碳片材优选为多孔质的。碳片材为多孔质，由此能够兼顾用于将从隔离膜供给的气体向催化剂扩散的优异的气体扩散性、和用于将伴随电化学反应生成的水向隔离膜排出的高排水性。此外，为了具有用于提取所产生的电流的高导电性，优选使用具有导电性的多孔体。作为上述的多孔体，优选使用例如碳纤维抄纸体、碳纤维织物和毡型的碳纤维无纺布等包含碳纤维的多孔体。其中，优选将吸收电解质膜的垂直于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.碳片材，其具有第1表面和位于第1表面的相反侧的第2表面，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将前述区间在厚度方向上进行20等分而设为20个层时，第1表面侧的最表面层的纤维取向度为1.20以上且3.00以下，将由前述层之中具有与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差为
±
0.10以内的纤维取向度的连续层所形成的区域记作第1表面侧区域，将由前述层之中不包括在第1表面侧区域中的层所形成的区域记作第2表面侧区域时，前述第1表面侧区域的厚度为碳片材整体厚度的40％以下，前述第2表面侧区域的平均纤维取向度与前述第1表面侧的最表面层的纤维取向度之差大于0.10，在此，从碳片材的一个表面向另一个表面每3.9μm测定面的填充率，接着求出所得面的填充率的平均值，50％填充率是所得平均值的50％的值；进一步，层的填充率是使用形成层的面的填充率得到的平均值。2.根据权利要求1所述的碳片材，其中，第1表面侧的最表面层的纤维取向角与第2表面侧的最表面层的纤维取向角之差为45
°
以内。3.根据权利要求1或2所述的碳片材，从最接近第1表面的具有50％填充率的面至最接近第2表面的具有50％填充率的面的区间中，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡边忠敬，岨手胜也，龟田俊辅，若田部道生，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：