片材、电极和燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供片材、电极和燃料电池，所述片材在厚度方向具有高导电性，并且透气性、防水性、耐腐蚀性和柔软性也优异，能够适合用于燃料电池等的电极。本发明涉及一种片材，其是含有聚四氟乙烯、炭黑和石墨的片材，其特征在于，所述聚四氟乙烯的标准比重为2.14～2.28，炭黑和石墨的合计量超过聚四氟乙烯、炭黑和石墨的合计量的35质量％。
【专利说明】片材、电极和燃料电池
【技术领域】
[0001] 本发明涉及片材、电极和燃料电池。更具体而言，本发明涉及适合于燃料电池电极 的片材、由该片材形成的电极和具有该电极的燃料电池。
【背景技术】
[0002] 燃料电池通常具有由发生起到发电功能的反应的阳极及阴极的电极和成为阳极 与阴极之间的离子导体的电解质膜构成的膜-电极复合体（MEA)，该MEA以被隔板夹着的隔 室为单元而构成。在此，电极由促进气体扩散和进行集（供）电的电极基材（也称为气体 扩散电极或集电体）和实际上成为电化学反应场的电极催化剂层构成。例如在固体高分子 型燃料电池的阳极，氢气等燃料在阳极的催化剂层发生反应而生成质子和电子，电子传导 至电极基材，质子向高分子固体电解质传导。因此，对于阳极，要求气体扩散性（透气性）、 电子传导性（导电性）、离子传导性良好。另一方面，在阴极，氧或空气等氧化气体在阴极的 催化剂层与由高分子固体电解质传导而来的质子和由电极基材传导而来的电子发生反应 生成水。所生成的水会妨碍氢或空气向电解质膜的接近，因此阴极不仅要气体扩散性（透 气性）、电子传导性、离子传导性优异，而且还需要能够高效地排出所生成的水（防水性、排 水性）。此外，电极在高温下会暴露于水、氧、大电流，因此也需要耐腐蚀性优异。
[0003] 作为燃料电池等的电极用原材料，在聚四氟乙烯细粉中添加导电性填料而成的材 料受到关注。但是，现有的市售品存在如下问题：难以通过糊料挤出等进行成型、或者对用 于电极而言导电性过低等。另外，通常由导电性片材制造电极的情况下，在聚四氟乙烯和导 电性填料的混合物中添加适当的挤出助剂进行糊料挤出，并通过辊轧等进行片材化。但是， 该方法虽然压延方向的导电性高，但存在如下问题：针对片材的厚度方向，体积电阻率高出 接近一个数量级，导电性差。
[0004] 作为使用聚四氟乙烯和导电性填料的混合物的具体例，公开了使用聚四氟乙烯和 炭黑的电极（例如参见专利文献1)。但是该电极存在导电性不充分这样的问题。
[0005] 另外，还公开了使用碳纤维织造布和聚四氟乙烯的电极（例如参见专利文献2)。 但是，该电极除了容易破裂、耐载荷性差这样的问题以外，还存在碳纤维的成本高这样的问 题。
[0006] 此外，还公开了通过乳液聚合而得到的聚四氟乙烯颗粒、炭黑和该炭黑以外的导 电性物质（石墨、碳纤维和/或金属粉末）以特定的比例混配而成的含聚四氟乙烯的粉末 (例如参见专利文献3)。专利文献3中，公开了该含聚四氟乙烯的粉末是通过聚四氟乙烯颗 粒、炭黑和导电性物质的共凝析而得到的，而且记载了这种粉末的导电性、耐载荷性优异， 并且廉价且适合于在厚度方向的导电性高的电极。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开平5-166520号公报
[0010] 专利文献2 :日本特开平7-201346号公报
[0011] 专利文献3 :日本专利第4000915号说明书
【发明内容】
[0012] 发明所要解决的问题
[0013] 如上所述，对能够适合用于燃料电池等的电极的材料进行了各种研究，为了实现 更高水平的各种所需特性，还存在研究的余地。
[0014] 尤其是，强烈要求在维持优异的透气性、防水性和耐腐蚀性的同时，实现以往以上 的高导电性、其中尤其是厚度方向的高导电性。
[0015] 另外，制造电池时，为了在将电极压合于催化剂层或隔板时不产生破损，使电极具 有适度的柔软性也是重要的。
[0016] 本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于提供片材、电极和燃料电池，该片材 在厚度方向具有高导电性，并且透气性、防水性、耐腐蚀性和柔软性也优异，能够适合用于 燃料电池等的电极。
[0017] 用于解决问题的手段
[0018] 本发明人对适合于燃料电池等的电极的片材进行各种研究，发现在含有聚四氟乙 烯、炭黑和石墨的片材中，使炭黑和石墨的合计量超过聚四氟乙烯、炭黑和石墨的合计量的 35质量％时，能够有效地提高片材的厚度方向的导电性。本发明人还发现该片材同时具备 透气性、防水性、耐腐蚀性、适度的柔软性这样的特性。并且，还发现这种片材作为燃料电池 等的电极材料极其有用，从而达成了本发明。
[0019] 即，本发明是一种片材，其是含有聚四氟乙烯、炭黑和石墨的片材，其特征在于，上 述聚四氟乙烯的标准比重为2. 14?2. 28,炭黑和石墨的合计量超过聚四氟乙烯、炭黑和石 墨的合计量的35质量％。
[0020] 上述炭黑与上述石墨的质量比优选为99/1?30/70。
[0021] 上述聚四氟乙烯优选为四氟乙烯均聚物或者改性聚四氟乙烯，所述改性聚四氟乙 烯中基于改性单体的聚合单元为全部聚合单元的〇. 02质量％以下。
[0022] 上述聚四氟乙烯的标准比重优选为2. 14?2. 22。
[0023] 优选上述聚四氟乙烯、炭黑和石墨通过共凝析从而混合而成的片材。
[0024] 上述炭黑的平均粒径优选为70nm以下。
[0025] 上述石墨的平均粒径优选为50 μ m以下。
[0026] 上述石墨优选为鳞片状或者板状。
[0027] 本发明还涉及一种电极，其特征在于，其包含上述片材。
[0028] 本发明还涉及一种燃料电池，其特征在于，其具有上述电极。
[0029] 下面对本发明进行详细说明。
[0030] 本发明的片材含有聚四氟乙烯[PTFE]。由此，片材成为防水性、耐腐蚀性和柔软性 优异的材料。
[0031] 上述聚四氟乙烯是指具有原纤化性和非熔融加工性的四氟乙烯均聚物[TFE均聚 物]和/或改性聚四氟乙烯[改性PTFE]。在本说明书中，上述"改性PTFE"是指含有四氟 乙烯[TFE]和少量改性单体作为单体成分通过共聚而得到的共聚物。在本说明书中，描述 限定于TFE均聚物而非改性PTFE的情况下，不使用"聚四氟乙烯"作为术语。
[0032] 从易于多孔质化的方面以及因易于原纤化而即使增加炭黑和石墨的添加量也易 于片材化的方面考虑，作为上述聚四氟乙烯，优选为四氟乙烯均聚物或者改性聚四氟乙烯， 所述改性聚四氟乙烯中基于改性单体的聚合单元为全部聚合单元的〇. 02质量％以下。
[0033] 上述聚四氟乙烯为改性PTFE的情况下，作为改性单体，只要是能够与TFE共聚的 单体就没有特别限定，可以举出例如六氟丙烯[HFP]等全氟烯烃；三氟氯乙烯[CTFE];三氟 乙烯等氢氟烯烃；全氟乙烯基醚等。
[0034] 作为上述全氟乙烯基醚没有特别限定，可以举出例如以下述通式（I):
[0035] CF2 = CF-ORf(I)
[0036] (式中，Rf表示全氟基团）表示的全氟不饱和化合物等。在本说明书中，"全氟基 团"是指与碳原子键合的氢原子全部被氟原子取代的烃基。上述全氟基团可以具有醚键。
[0037] 作为上述全氟乙烯基醚，可以举出例如上述通式（I)中Rf表示碳原子数为1?10 的全氟烷基的全氟（烷基乙烯基醚）[PAVE]。上述全氟烷基的碳原子数优选为1?5。
[0038] 作为上述PAVE中的全氟烷基，可以举出例如全氟甲基、全氟乙基、全氟丙基、全氟 丁基、全氟戊基、全氟己基等，优选为全氟丙基。
[0039] 作为上述全氟乙烯基醚，还可以举出全氟（烷氧基烷基乙烯基醚）或全氟（烷基 聚氧亚烷基乙烯基醚）等，所述全氟（烷氧基烷基乙烯基醚）或全氟（烷基聚氧亚烷基乙 烯基醚）是上述通式（I)中Rf表示下述基团而成的物质：碳原子数为4?9的全氟（烷氧 基烧基）、以下式表不的有机基团
[0040] [化 1]
[0041]
【权利要求】
1. 一种片材，其是含有聚四氟乙烯、炭黑和石墨的片材，其特征在于， 所述聚四氟乙烯的标准比重为2. 14?2. 28， 炭黑和石墨的合计量超过聚四氟乙烯、炭黑和石墨的合计量的35质量％。
2. 如权利要求1所述的片材，其中，所述炭黑与所述石墨的质量比为99/1?30/70。
3. 如权利要求1或2所述的片材，其中，所述聚四氟乙烯为四氟乙烯均聚物或者改性 聚四氟乙烯，所述改性聚四氟乙烯中基于改性单体的聚合单元为全部聚合单元的0. 02质 量％以下。
4. 如权利要求1、2或3所述的片材，其中，所述聚四氟乙烯的标准比重为2. 14?2. 22。
5. 如权利要求1、2、3或4所述的片材，其中，该片材是所述聚四氟乙烯、炭黑和石墨通 过共凝析从而混合而成的。
6. 如权利要求1、2、3、4或5所述的片材，其中，所述炭黑的平均粒径为70nm以下。
7. 如权利要求1、2、3、4、5或6所述的片材，其中，所述石墨的平均粒径为50 y m以下。
8. 如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的片材，其中，所述石墨为鳞片状或者板状。
9. 一种电极，其特征在于，其包含权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的片材。
10. -种燃料电池，其特征在于，其具有权利要求9所述的电极。
【文档编号】C08J5/18GK104412433SQ201380035373
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】吉本洋之, 茶圆伸一, 河原一也, 涉谷吉之, 助川胜通 申请人:大金工业株式会社