TWI574453B - 燃料電池用氣體擴散電極基材 - Google Patents

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Description

燃料電池用氣體擴散電極基材
本發明是關於一種非常適合使用於燃料電池，特別是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、耐阻塞性及耐乾化性優，可涵蓋低溫至高溫的廣泛溫度範圍而展現高度發電性能，而且機械特性、導電性及熱傳導性也優。
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起電力，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、電解質薄膜、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氣體擴散性，以使隔離件所供給的氣體擴散至觸媒，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作動時，大量 產生的液態水導致電極基材塞住，然後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作動時，大量產生的液態水導致隔離件的氣體流路(以下記載為流路)塞住，然後氣體供給不足，結果，產生發電性能瞬間降低的問題(以下記載為阻塞(blocking))；(3)當在80℃以上的相對高溫作動時，水蒸氣擴散導致電解質薄膜乾燥，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(1)至(3)的問題，而構成有很多組合。
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部。根據採用此氣體擴散電極基材的燃料電池，由於微孔部形成具有撥水性的小細孔構造，所以，可促進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薄膜側(以下記載為逆擴散)，所以，具有電解質薄膜呈溼潤狀態而得以抑制乾化的傾向。
專利文獻2提出一種氣體擴散電極基材，其在電極基材的觸媒層側形成由鱗片狀石墨、碳黑及撥水性樹脂所構成的微孔部。根據使用此氣體擴散電極基材的燃料電池，可藉由鱗片狀石墨調整排水性、撥水性，所以，有抑制氾流現象及乾化現象的傾向。
專利文獻3及專利文獻4提出使用一種氣體擴散電極基材的燃料電池，該氣體擴散電極基材在電極基材的兩面形成由碳黑、疏水性樹脂所構成的微孔部。 根據使用此氣體擴散電極基材的燃料電池中，藉由使隔離件側的微孔部平滑且具有高度撥水性，具有液態水難以在流路中滯留，而能抑制氾流現象的傾向。又，藉由觸媒層側的微孔部促進水分對電解質薄膜的逆擴散，並且，藉由隔離件側的微孔部抑制水蒸氣的擴散，結果，具有電解質薄膜呈溼潤狀態而得以抑制乾化現象的傾向。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 特開2000-123842號公報
專利文獻2 特開2008-059917號公報
專利文獻3 特開平9-245800號公報
專利文獻4 特開2008-293937號公報
然而，在專利文獻1及2所記載的技術中，氾流現象及乾化現象的抑制尚不充分，會有怎樣都無法改善阻塞現象的問題。
又，在專利文獻3及4所記載的技術中，從電極基材到隔離件的排水會受到隔離件側的微孔部阻礙，所以，有氾流現象變得顯著的問題。
像許多這種技術雖然被提出來，但目前尚未看到有耐氾流性及耐阻塞性優且耐乾化性優的氣體擴散電極基材的出現。
因此，本發明的目的在提供一種氣體擴散電極基材，該氣體擴散電極基材的耐氾流性及耐阻塞性優且耐乾化性優，可涵蓋低溫至高溫如此寬廣的溫度範圍展現高度的發電性能，再者，機械特性、導電性、熱傳導性也優。
本發明之氣體擴散電極基材為解決相關課題，而採用如下的手段。亦即，本發明為一種燃料電池用氣體擴散電極基材，其特徵為，在電極基材的至少單面配置有微孔部而成，且在微孔部含有縱橫比為50~5000之範圍內的薄片石墨。
本發明的較佳型態係在電極基材的雙面配置有微孔部。又，本發明的較佳型態為，薄片石墨的平均厚度是在0.001~0.5μm的範圍內。又，本發明的較佳型態為，薄片石墨藉由X射線光電子光譜法所測量的表面氧濃度{O/C}是在0.01~0.1的範圍內。又，本發明的較佳型態為，含有薄片石墨的微孔部進一步含有乙炔黑，且乙炔黑相對於薄片石墨的混合質量比是在0.1~4的範圍內。
根據本發明，可降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，可確保足夠的氣體量以帶走隔離件流路的液態水，液態水難以滯留於流路，可抑制阻塞。此外，藉由促進電極基材之液態水的排出，可抑制氾流，且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，可涵蓋低溫到高溫如此廣的溫度範圍展現高發電性能。此外，本發明的氣體擴散電極基材，其機械強度、導電性、熱傳導性皆良好。
本發明的氣體擴散電極基材係在電極基材的至少單面配置有微孔部，且在微孔部含有縱橫比為50~5000之範圍內的薄片石墨。以下，說明各個要素。
本發明的電極基材需要高氣體擴散性，以使從隔離件所供給的氣體擴散至觸媒，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。
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，宜使用含有碳纖維的多孔體，再者，若要機械強度優，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以將之碳化而獲得者。
碳纖維包括了聚丙烯腈(PAN)系、瀝青系及嫘縈系等碳纖維。其中，若要機械強度優，宜在本發明中使用聚丙烯腈(PAN)系、瀝青系碳纖維。
本發明的碳纖維為，單纖維的平均直徑宜在3~20μm的範圍內，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，針對碳纖維中的單纖維的平均直徑，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，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。作為掃描型電子顯微鏡，可採用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中碳纖維，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，較為理想。另一方面，當平均長度為20mm以下時，進行抄紙時的碳纖維的分散性優，可得到均質的電極基材，故較佳。至於具有平均長度的碳纖維，可藉由將連續的碳纖維切割成所期望的長度等方法來得到。
在此，針對碳纖維的平均長度，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。作為掃描型電子顯微鏡，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。
在本發明中，電極基材的密度宜在0.2~0.4g/cm3的範圍內，若在0.22~0.35g/cm3的範圍內則更好。再者，0.24~0.3g/cm3的範圍內又更好。當密度為0.2g/cm3以上時，水蒸氣擴散性小，可進一步抑制乾化現象。又，電極基材的機械特性提高，可充分支撐電解質薄膜及觸媒層。此外，導電性較高，無論在高溫或低溫下，發電性能都提高。另一方面，當密度為0.4g/cm3以下時，排水性提高，可進一步抑制氾流現象。具有該密度的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及電極基材的厚度而得到。
此外，在本發明中，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」。其中，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是有效果的。在此，藉由減少預備含浸體的碳纖維單位面積質量可得到低密度的基材，藉由增加預備含浸體的碳纖維單位面積質量可得到高密度的基材。又，藉由減少樹脂成分相對於碳纖維的摻合量可得到低密度的基材，藉由增加樹脂成分的摻合量可得到高密度的基材。又，藉由增加電極基材的厚度可得到低密度的基材，藉由減少厚度可得到高密度的基材。
在此，關於電極基材的密度，可藉由將使用電子天秤所秤出的電極基材料之每單位面積的質量除以用表面壓力0.15MPa進行加壓時的電極基材的厚度而求出。
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的範圍內更佳。當細孔徑為30μm以上時，排水性得以提升，可更進一步抑制氾流。當細孔徑為80μm以下時，導電性高，無論是在高溫或低溫下，發電性能都能提升。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，關於電極基材的細孔徑，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，電極基材的厚度較佳為60~200μm。更佳為70~160μm，最佳為80~110μm。若電極基材的厚度為60μm以上，機械強度會變高，操作性(handling)變容易。當厚度為200μm以下時，由於電極基材的剖面積變小，所以帶走隔離件流路的液態水之氣體量變多，液態水難以滯留於流路，可進一步抑制阻塞。又，排水用的通路(pass)變短，可進一步抑制氾流。
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，必須在電極基材的至少單面配置有微孔部。微孔部必須具有用以將供給自隔離件的氣體朝觸媒擴散之高氣體擴散性、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，並將電解質膜溼潤之功能。因此，較佳為使用含導電性填料與撥水材的多孔體。
本發明中，微孔部中必須含有導電性填料，導電性填料必須使用縱橫比為50~5000的薄片石墨。藉由此薄片石墨，可減低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，可確保用以帶走隔離件流路的液態水之足夠的氣體量，液態水不易滯留於流路，可抑制阻塞。
藉由使用縱橫比較一般的石墨大的薄片石墨，氣體必須迂迴於薄片石墨，故可明顯降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，帶走隔離件流路之液態水的氣體量變多，可抑制阻塞。此外，藉由促進電極基材之液態水的排出，可抑制氾流，又藉由抑制水蒸氣擴散，可抑制乾化。
若薄片石墨的縱橫比小於50，將無法抑制面內方向的氣體透過性，無法獲得阻塞的抑制效果。另一方面，若大於5000，則與撥水材等混鍊而形成糊時的黏度上昇較大，無法形成微孔部。本發明中，縱橫比以 100以上較佳，以200以上更佳。又，縱橫比以3000以下較佳，以1000以下更佳。
在此，薄片石墨的縱橫比係指：平均粒徑(μm)/平均厚度(μm)。平均粒徑係使用雷射繞射式粒度分布計進行測量，求得體積換算之50%累積直徑。平均厚度係利用掃描型電子顯微鏡、透過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個不同的薄片石墨，測量其厚度，求出平均值。作為掃描型電子顯微鏡，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
在難以使用雷射繞射式粒度分布計測量薄片石墨的平均粒徑之情況，可利用掃描型電子顯微鏡、透過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個不同的薄片石墨，測量其長度，求出平均值，來代替平均粒徑。作為掃描型電子顯微鏡，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中，薄片石墨的平均厚度係以在0.001~0.5μm的範圍內較佳，為0.003μm以上更佳，為0.005μm以上又更佳。此外，平均厚度為0.2μm以下較佳，為0.1μm以下更佳。當平均厚度為0.001μm以上時，與撥水材等混鍊而形成糊時的黏度上昇小，容易形成微孔部。平均厚度為0.5μm以下時，少量的薄片石墨，便可降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，可確保用於沖洗隔離件流路的液態水之充足的氣體量，液態水不易滯留於流路，可進一步抑制阻塞。
本發明中，薄片石墨中藉由X射線光電子光譜法所測定之氧(O)與碳(C)之原子數的比之表面氧濃度{O/C}，亦以在0.01~0.1的範圍內較佳，以0.02以上更佳，以為0.03以上又更佳，以0.04以上更理想。此外，以0.08以下較佳，以0.06以下更佳。當表面氧濃度{O/C}為0.01以上時，薄片石墨的分散性佳，可降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，可確保足夠的氣體量以帶走隔離件流路的液態水，液態水不易滯留於流路，可進一步抑制阻塞。當表面氧濃度{O/C}為0.1以下時，微孔部的導電性高，不論是在高溫或低溫下發電性能皆能提升。
薄片石墨的表面氧濃度{O/C}，係利用X射線光電子光譜法依據以下的順序求出者。將薄片石墨固定於銅製的試料支持台後，使用A1Kα1、2作為X射線源，將試料處理室中保持在1×108Torr。將C1s的主峰的動能值(K.E.)對準1202eV，作為伴隨測定時的帶電所產生之峰的補正值。藉由在K.E.之1191~1205eV的範圍內畫直線基線而求出C1s峰面積。藉由在K.E.之947~959eV的範圍內畫直線的基線而求出O1s峰面積。
此處，表面氧濃度{O/C}係指：由上述的O1s峰面積與C1s峰面積的比，使用裝置固有的感度補正值算出作為原子數比者。作為X射線光電子光譜法裝置，係使用國際電氣公司製型號ES-200，感度補正值設為1.74。
本發明中，含薄片石墨的微孔部，可進一步含有前述薄片石墨以外的各種導電性填料。其中，基於耐腐蝕性優異之點，係以使用碳系的導電性填料較佳。作為碳系的導電性填料，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、膨脹石墨等的石墨、奈米碳管、奈米碳纖維、汽相法成長碳纖維(VGCF)、碳纖維磨碎纖維(milled fiber)等的直鏈碳(linear carbon)等。其中，由處理的容易度來看，以使用乙炔黑較佳。乙炔黑相對於薄片石墨的混合質量比較佳是在0.1~4的範圍內，更佳是在0.2~2的範圍內，又更理想是在0.3~1的範圍內。當此混合質量比為0.1以上時，含薄片石墨與乙炔黑之微孔部的強度得以提升，耐久性優異。另一方面，為4以下時，可降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性。其結果，可確保足夠的氣體量以帶走隔離件流路的液態水，液態水難以滯留於流路，可抑制阻塞。
本發明中，基於促進液態水排出的觀點，較佳為於微孔部中使用撥水材而與導電性填料組合。其中，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。作為氟系聚合物，可列舉：聚氯三氟乙烯樹脂(PCTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)、四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物(FEP)、四氟乙烯與全氟烷基(perfluoroalkyl)乙烯基醚的共聚物(PFA)、四氟乙烯與乙烯的共聚物(ETFE)等。
本發明中，相對於含薄片石墨的導電性填料100質量份，較佳為調配1~60質量份的撥水材，更佳為調配3~50質量份的撥水材，再更佳為調配5~40質量份的撥水材。當撥水材的摻合量為1質量份以上時，微孔部的機械強度優異，是較佳的。另一方面，為60質量份以下時，微孔部的導電性、熱傳導性優異，是較佳的。
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，可在微孔部使用各種材料而與導電性填料組合。例如，為了加大微孔部的細孔徑，促進液態水的排水，可使用消失材。在此，消失材係指一種材料，其係加熱到200~400℃，將撥水材熔融而呈現撥水性之際，經由燒乾而消失，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，微孔部的空隙率係以在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，排水性得以提升，可抑制氾流。當空隙率為85%以下時，水蒸氣擴散性小，可抑制乾化。此外，導電性高，無論是在高溫或低溫下發電性能皆可提升。具有此空隙率的電極基材，可藉由在後述的製法中，控制微孔部之每單位面積的質量、撥水材、導電性填料相對於其他材料的摻合量、導電性填料的種類、及微孔部的厚度而獲得。其中，控制撥水材、導電性填料相對於其他材料的摻合量、導電 性填料的種類是有效的。在此，藉由減少撥水材、導電性填料相對於其他材料的摻合量，可獲得高空隙率的微孔部，藉由增加撥水材、導電性材料相對於其他材料的摻合量，可獲得低空隙率的微孔部。此外，藉由選擇乙炔黑、VGCF等作為導電性填料，可獲得高空隙率的微孔部，藉由選擇爐黑等作為導電性填料，可獲得低空隙率的微孔部。
此處，微孔部的空隙率，係使用利用離子束剖面加工裝置之剖面觀察用樣本，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。作為掃描型電子顯微鏡，可使用(股)日立製作所製S-4800或與其同等的產品。
本發明中，微孔部係以厚度為5~50μm較佳，為10~40μm更佳，為15~30μm更理想。當厚度為5μm以上時，可促進生成水的逆擴散，進而使微孔部的表面變平滑，將作為燃料電池之氣體擴散電極基材的微孔部朝向觸媒層側使用時，可降低觸媒層與氣體擴散電極基材的接觸電阻。當厚度為50μm以下時，微孔部的導電性高，不論是在高溫或低溫下發電性能皆可提升。
本發明中，必須在電極基材的至少單面配置有微孔部，惟從降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性、可確保用以帶走隔離件流路的液態水之充足的氣體量、可進一步抑制阻塞之觀點考量，較佳為將微孔部的一部含浸於電極基材。
又，本發明中，從降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性、可確保充足的氣體量以帶走隔離件流路的液態水、可進一步抑制阻塞之觀點考量，較佳為在電極基材的雙面配置有微孔部。在電極基材的雙面配置微孔部時，亦可僅於單面的微孔部含有縱橫比為50~5000的薄片石墨，亦可於雙面的微孔部都含有縱橫比為50~5000的薄片石墨。
再者，在電極基材的雙面配置微孔部時，單面的微孔部的面積率較佳為在5~70%的範圍內，更佳為在10~60%的範圍內，更理想為在20~40%的範圍內。當微孔部的面積率為5%以上時，液態水難以滯留於流路，可進一步抑制阻塞，且水蒸氣擴散性小，亦各進一步抑制乾化。當微孔部的面積率為70%以下時，微孔部覆蓋電極基材表面的比例不會過高，排水性得以提升，亦可進一步抑制氾流。
然而，會有微孔部的面積率愈小，愈難降低面內方向的氣體透過性之傾向。於是，使用縱橫比為50~5000的薄片石墨作為導電性填料更有效。此乃因氣體必須迂迴於薄片石墨，故可明顯降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性之故。
在此，面積率係指，在氣體擴散電極基材的一表面中被微孔部所覆蓋的面積相對於電極基材的面積之比例(%)，可藉由如次的式子算出。
面積率(%)=被微孔部所覆蓋的面積/電極基材的面積×100
此處，面積率係可依據如下的順序求得。
首先，利用數位相機、數位顯微鏡等對氣體擴散電極基材的一表面進行照相攝影，而獲得影像。此處，作為數位顯微鏡，可使用Keyence(股)製數位HD顯微鏡VH-7000或與其同等的產品。較為由氣體擴散電極基材隨機選取10個不同的部位，分別以3cm×3cm左右的範圍進行照相攝影。其次，使用所獲得的影像，二值化成被微孔部覆蓋的部分、與沒有被微孔部覆蓋的部分。二值化的方法有各式各樣的方法，在可明確地判別有被微孔部覆蓋的部分、與沒有被微孔部覆蓋的部分的情況，亦可採用以目視判別的方法，惟在本發明中係以採用使用影像處理軟體等的方法較佳。此處，作為影像處理軟體，可使用Adobe System公司製Adobe Photoshop(登錄商標)。在各影像中，算出被微孔部所覆蓋的面積相對於電極基材的面積(被微孔部覆蓋的部分和沒有被微孔部覆蓋的部分之面積的和)之比例(%)，求出其平均值。
另一方面，在使用氣體擴散電極基材，設成膜電極接合體等的狀態後進行測量之情況，面積率可依據如次的步驟求得。首先，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，而獲得影像。此處，作為掃描型電子顯微鏡，可使用(股)日立製作所製S-4800或其同等的產品。其次，使用所得到的影像，以各影像，對微孔部測量電極基材表面被微孔部所覆蓋的面積之比例(%)，求出其平均值。
本發明中，由降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性、確保用以帶走隔離件流路的液態水之足夠的氣體量、可抑制阻塞、提升排水性，並可抑制氾流之觀點看來，較佳為將面積率為5~70%的微孔部配置於隔離件側。
本發明中，微孔部係以在電極基材上形成有微孔部的圖案較佳。本發明中，圖案樣式或圖案係以一定周期反覆的模樣。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不均。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。作為圖案，可列舉：格子、條紋、同心圓、島狀等。
本發明中，由可降低氣體擴散電極基材之面內方向的氣體透過性，確保用以帶走隔離件流路的液態水之足夠的氣體量，一面抑制阻塞、一面提升排水性並抑制氾流之觀點看來，較佳為將形成微孔部的圖案的那側配置於隔離件側。
其次，就適合於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，由生產性優這點考量，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、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(polyacetal)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。
以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每單位面積的質量在10~60g/m2的範圍內較佳，在20~50g/m2的範圍內更佳。當碳纖維的每單位面積的質量為10g/m2以上時，電極基材的機械強度優，故是理想的。為60g/m2以下時，電極基材的氣體擴散性與排水性優，故是理想的。此外，貼合複數片抄紙體時，貼合後之碳纖維的每單位面積的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10cm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残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，作為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，且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，作為構成樹脂成分的樹脂，可列舉：酚樹脂(phenol resin)、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，作為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、石墨等。
使用於本發明的樹脂組成物，可原樣使用藉由前述構成所獲得的樹脂成分，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(isoprepyl alcohol)等。
本發明的樹脂組成物，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，電極基材的氣體擴散性佳，所以是理想的。
<貼合、熱處理>
本發明中，係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，可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，樹脂成分就會進行碳化，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，昇溫速度較佳係在80~5000℃/分的範圍內。當昇溫速度為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。作為氟系聚合物，可列舉：聚氯三氟乙烯樹脂(PCTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)、四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物(FEP)、四氟乙烯與全氟烷基(perfluoroalkyl)乙烯基醚的共聚物(PFA)、四氟乙烯與乙烯的共聚物(ETFE)等。撥水材的塗布量係以相對於碳纖維燒成體100質量份，為1~50質量份較佳，為2~40質量份更佳，為3~30質量份更理想。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。
此外，本發明中，係將依需要對碳纖維燒成體實施撥水加工者記載為「電極基材」。此外，未實施撥水加工時，碳纖維燒成體與「電極基材」係指同一者。
<微孔部的形成>
微孔部係可藉由在電極基材的至少單面，至少塗布含縱橫比在50~5000範圍內的薄片石墨之碳塗液而形成。
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。
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。作為塗布方式，係可使用網版印刷、旋轉篩印刷、噴灑噴霧、凹版印刷、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，用以形成微孔部的圖案之圖案塗布，係以網版印刷(旋轉篩印刷(rotary screen printing))或凹版印刷較佳。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，較佳為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。乾燥風量只要適當制定即可，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300~400℃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部。
<膜電極接合體、燃料電池的製作>
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單面，而構成膜電極接合體。
藉由在此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中，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週知者。
[實施例]
以下，依據實施例及比較例具體地說明本發明。實施例及比較例中使用的材料、電極基材的製作方法、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如下所示。
<材料> A：導電性填料(縱橫比為50~5000範圍內的薄片石墨)
‧“xGnP”(登錄商標)等級M(薄片石墨，XG Sciences公司製，平均粒徑：5μm，平均厚度：0.006μm，縱橫比：830，表面氧濃度{O/C}：0.04)
‧UP-5N(薄片石墨，日本石墨工業(股)製，平均粒徑：7μm，平均厚度：0.05μm，縱橫比：140，表面氧濃度{O/C}：0.03)
‧BSP-5AK(薄片石墨，(股)中越石墨工業所製，平均粒徑：5μm，平均厚度：0.1μm，縱橫比：50，表面氧濃度{O/C}：0.02)
‧熱處理BSP-5AK(使用蒙烰爐將BSP-5AK於氮氣環境下以500度進行1小時的熱處理)平均粒徑：5μm，平均厚度：0.1μm，縱橫比：50，表面氧濃度{O/C}：小於0.01)
B.其他的導電性填料
‧“DENKA BLACK”(登錄商標)(乙炔黑，電氣化學工業(股)製，平均粒徑：0.035μm，縱橫比：1)
‧BF-5A(鱗片狀石墨，(股)中越石墨工業所製，平均粒徑：5μm，平均厚度：0.25μm，縱橫比：20，表面氧濃度{O/C}：小於0.01)
‧BF-18A(鱗片狀石墨，(股)中越石墨工業所製，平均粒徑：18μm，平均厚度：0.45μm，縱橫比：40，表面氧濃度{O/C}：小於0.01)
C.撥水材
‧“POLYFLON”(登錄商標)D-1E(PTFE樹脂，Daikin工業股份有限公司製)
D.界面活性劑
‧“TRITON”(登錄商標)X-100(非離子系界面活性劑，NACALAI TESQUE股份有限公司製)
<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，塗布10質量%的聚乙烯醇水溶液作為黏合劑，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質量份的調配比將此等加以混合，使用超音波分散裝置進行1分鐘的攪拌，而獲得均一分散的樹脂組成物。
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(press)，以熱處理後的預備含浸體的厚度成為130μm的方式調整壓機的上下面板的間隔。
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，賦予5質量份的PTFE樹脂，以100℃進行5分鐘的加熱並使之乾燥，而製得厚度100μm的電極基材。
<微孔部的形成> (觸媒側)
使用模塗布機(die coater)將碳塗液於電極基材的觸媒側塗布成面狀後，以120℃進行10分鐘的加熱，以380℃進行20分鐘的加熱，而形成面狀微孔部。此處使用的碳塗液係使用：將導電性填料、撥水材設成如表1 ~3所示的組成比，相對於導電性填料100重量份加入界面活性劑200重量份，以固體成分濃度成為25重量份的方式以精製水調整後而得者。由於界面活性劑及精製水可藉由加熱而去除，微孔部的組成比係如表1~3所示的組成比。組成比係以重量份記載。
(隔離件側)
使用將線寬0.5mm、線間隔2mm的直線構成的格子狀圖案部分以外的部分用樹脂加以遮罩的網版印刷版，在電極基材的隔離件側塗布格子狀的圖案模樣的碳塗液後，於120℃下加熱10分鐘，於380℃下加熱20分鐘，而形成微孔部。此處所用的碳塗液係使用：將導電性填料、撥水材設成如表1~3所示的組成比，相對於導電性填料100重量份加入界面活性劑200重量份，以固體成分濃度成為25重量份的方式用精製水調整而得者。由於界面活性劑及精製水可藉由加熱而去除，故微孔部的組成比係如表1~3所示的組成比。組成比係以重量份記載。
<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，氣體擴散電極基材以其具有面狀微孔部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構成。又，對陽極側供給加壓到210kPa的氫，對陰極側供給加壓到140kPa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。又，計數運轉溫度設為65℃、增濕溫度設為70℃、電流密度設為2.2A/cm2 且保持30分鐘時的輸出電壓降低次數，作為耐阻塞性的指標使用。亦即，計數在30分鐘內輸出電壓成為0.2V以下的次數，設7次以上者為C，5~6次者為B，3~4次者為A，2次以下者為S。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2℃，一面測定輸出電壓，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。
(實施例1、2)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>之方法，獲得表1所示之氣體擴散電極基材，其係於電極基材的觸媒側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑之面狀微孔部。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，實施例1、2皆為耐阻塞性良好。實施例1、2的輸出電壓分別為0.36V、0.35V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，實施例1、2的臨界溫度分別為91℃、92℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，如表1所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例3~5)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，獲得如表1所示之氣體擴散電極基材，其係於電極基材的觸媒側具有含有乙炔黑的面狀微孔部，且於隔離件側具有含高有縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，實施例3~5皆為耐阻塞性極良好。實 施例3、4、5的輸出電壓分別為0.35V、0.34V、0.35V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，實施例3、4、5的臨界溫度分別為92℃、92℃、91℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，如表1所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例6)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，獲得如表1所示之於電極基材的觸媒側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的面狀微孔部，且於隔離件側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部之氣體擴散電極基材。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，耐阻塞性極良好。輸出電壓為0.33V(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)，如表1所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例7)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，獲得如表2所示之於電極基材的觸媒側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的面狀微孔部之氣體擴散電極基材。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，耐阻塞性良好。輸出電壓為0.36V(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)，如表2所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例8)
除了使用利用蒙烰爐在氮氣環境下以500度經1小時熱處理後的熱處理BSP-5AK(薄片石墨)之外，其餘部分係藉由與實施例7同樣的方法，而獲得於電極基材的觸媒側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的面狀微孔部之氣體擴散電極基材。此薄片石墨的表面氧濃度{O/C}小於0.01。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，耐阻塞性較良好。輸出電壓為0.35V(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)，如表2所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例9)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，而獲得如表2所示之於電極基材的觸媒側具有含有乙炔黑的面狀微孔部，且於隔離件側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部 之氣體擴散電極基材。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，耐阻塞性極良好。輸出電壓為0.35V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度分別為91℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，如表2所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(實施例10)
除了使用利用蒙烰爐在氮氣環境下以500度經1小時熱處理後的熱處理BSP-5AK(薄片石墨)之外，其餘部分係藉由與實施例9同樣的方法，而獲得在電極基材的觸媒側具有含有乙炔黑的面狀微孔部，且在隔離件側具有含有高縱橫比的薄片石墨、乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部之氣體擴散電極基材。使用此氣體擴散電極基材評價發電性能的結果，耐阻塞性良好。輸出電壓為0.35V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，臨界溫度分別為91℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，如表2所示，耐氾流性、耐乾化性皆良好。
(比較例1)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，獲得如表3所示之於電極基材的觸媒側具有含有乙炔黑的面狀微孔部之氣體擴散電極基材。評價此氣體擴散電極基材的發電性能的結果，耐阻塞性不良。輸出電壓為0.35V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，耐氾流性良好，但臨界溫度為88℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，耐乾化性不良。
(比較例2、3)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，獲得如表3所示之於電極基材的觸媒側具有含有鱗片狀石墨、乙炔黑的面狀微孔部之氣體擴散電極基材。評價此氣體擴散電極基材的發電性能的結果，比較例2、3均為耐阻塞性不良。比較例2、3的輸出電壓分別為0.34V、0.34V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，耐氾流性良好，比較例2、3的臨界溫度分別為88℃、89℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，耐乾化性不良。
(比較例4)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，而獲得表3所示之於電極基材的觸媒側具有含乙炔黑的面狀微孔部，且於隔離件側具有含乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部之氣體擴散電極基材。評價此氣體擴散電極基材的發電性能的結果，耐阻塞性比較良好。輸出電壓為0.34V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、 電流密度2.2A/cm2)，耐氾流性良好，但臨界溫度為88℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，耐乾化性不良。
(比較例5、6)
依據記載於<電極基材的製作>及<微孔部的形成>的方法，而獲得表3所示之於電極基材的觸媒側具有含乙炔黑的面狀微孔部，且於隔離件側具有含鱗片狀石墨、乙炔黑的格子狀圖案模樣的微孔部之氣體擴散電極基材。評價此氣體擴散電極基材的發電性能的結果，比較例5、6均為耐阻塞性比較良好。比較例5、6的輸出電壓分別為0.33V、0.33V(運轉溫度65℃、增濕溫度70℃、電流密度2.2A/cm2)，耐氾流性良好，但比較例5、6的臨界溫度分別為89℃、89℃(增濕溫度70℃、電流密度1.2A/cm2)，耐乾化性不良。

Claims (5)

  1. 一種燃料電池用氣體擴散電極基材，其特徵為：在電極基材的至少單面配置有微孔部，電極基材是含有碳纖維的多孔體，電極基材的細孔徑是30至80μm，微孔部的空隙率是60%至85%，且在微孔部含有縱橫比為50~5000之範圍內的薄片石墨，含有薄片石墨的微孔部進一步含有乙炔黑，且乙炔黑相對於薄片石墨的混合質量比是在1至4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，其中在電極基材的雙面配置有微孔部，且在至少單面的微孔部含有縱橫比為50~5000之範圍內的薄片石墨。
  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，其中薄片石墨的平均厚度是在0.001~0.5μm的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中薄片石墨藉由X射線光電子光譜法所測量的表面氧濃度{O/C}是在0.01~0.1的範圍內。
  5. 如申請專利範圍第1項之燃料電池用氣體擴散電極基材，其中電極基材的密度是0.2g/cm3至0.4g/cm3。
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