[发明专利]碳片、气体扩散电极基材和燃料电池

说明书

本发明提供一种可适用于气体扩散电极基材的碳片，其耐溢流性优异，并且能够防止气体流路的挠曲，进而，机械特性、导电性和导热性优异，且能够稳定地生产。用于实现上述目的的本发明的碳片的实施方式之一为一种碳片，其特征在于，是包含碳纤维和粘合材料的多孔碳片，在从离一个表面最近的具有50％填充率的面到离另一个表面最近的具有50％填充率的面为止的区间，对于将所述碳片在面垂直方向3等分而得到的层，如果将离一个表面近且层的填充率最大的层设为层X，将离另一个表面近且层的填充率小于层X的层设为层Y，将位于层X与层Y之间的层设为层Z，则层的填充率按照层X、层Y、层Z的顺序依次变小。

技术领域

本发明涉及可适用于燃料电池、特别是固体高分子型燃料电池的碳片，以及包含微孔层的气体扩散电极基材、包含该气体扩散电极基材的燃料电池。

背景技术

将包含氢的燃料气体供给至阳极，将包含氧的氧化气体供给至阴极，通过在两极发生的电化学反应而得到电动势的固体高分子型燃料电池一般而言依次层叠隔离件、气体扩散电极基材、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极基材和隔离件而构成。对于上述气体扩散电极基材，需要用于将从隔离件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而生成的水向隔离件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作为基材并在其表面形成有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，已知有如下问题：(1)使固体高分子型燃料电池在小于70℃的较低温度且高电流密度区域中工作时，气体扩散电极基材因大量生成的水而堵塞，气体的供给不足，结果发电性能降低(以下，记载为溢流(flooding))；以及(2)在组装固体高分子型燃料电池时，在隔离件上按压气体扩散电极基材时，气体扩散电极基材在担负气体的供给、生成水的排出的隔离件的流路发生挠曲，阻碍气体的供给，或阻碍生成水从气体流路的排出。因此，对于气体扩散电极基材，要求实现高的生成水的排水性以及在局部压缩时不向气体流路变形的低挠曲性，同时还要求作为气体扩散电极基材所要求的机械强度。

于是，例如提出了一种碳片，其为了减小碳片表面的压缩残留应变来抑制向设置于隔离件的槽的挠曲，在面垂直方向层叠堆积密度不同的层，两表面的多孔结构的密度比内部的多孔结构的堆积密度高(专利文献1)。

另外，提出了一种燃料电池用气体扩散基材，其通过使碳片的树脂密度在面垂直方向连续地减少来防止燃料电池性能的降低(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－176750号公报

专利文献2：日本特开2013－145640号公报

发明内容

然而，对于专利文献1中记载的发明，残留有如下问题：由于碳片的两表面的堆积密度相同，因此，在产生生成水时容易滞留于内部，明显产生溢流。

另外，对于专利文献2中记载的发明，残留有如下问题：由于向隔离件侧的碳化树脂量变少，因此，不仅碳片向隔离件流路的挠曲变大，而且表面的碳纤维的粘结脱落、碳纤维在隔离件内起毛，堵住流路内的生成水，堵塞流路内部。

于是，鉴于上述现有技术的背景，本发明的目的在于提供一种可适用于气体扩散电极基材的碳片，其以往困难的耐溢流性优异，并且能够防止气体流路的挠曲。

进而，本发明的其它目的在于提供一种使用上述碳片作为基材而成的气体扩散电极基材、包含该气体扩散电极的燃料电池。

用于解决上述课题的本发明的第一实施方式如下所述。即，