经改质碳化基材及其制备方法与用途技术

一种碳化基材的改质方法及所得经改质碳化基材，该方法包括将含疏水性高分子及碳材的混合物施用至未经疏水性处理的碳化基材上，以相对简化程序改质碳化基材，提供具有良好导电性、透气度及疏水性的经改质碳化基材，该基材系有利于做为燃料电池电极中的气体扩散层的材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术系关于一种碳化基材的改质方法，特别关于一种可用作燃料电池电极的气体扩散层的改质方法；以及所得经改质碳化基材与其用途。
技术介绍
近年来，由于能源短缺及地球温室效应等因素，氢供系统的燃料电池(fuel cell)的发展引起人们的注意；盖燃料电池非但无非充电电池用完即丢所导致的环保上的问题，亦可免除传统充电电池需进行耗时充电程序的缺点。此外，燃料电池的排放物(例如水)对环境亦无危害。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC)及直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell, DMFC)因可在低温下操作，又可产生高电流密度，故被广泛地应用在车辆、联合发电系统及各类3C产品(如笔记型电脑、手机等)的电源设备中。以PEMFC为例，其每 一 个单电池的主要构件包括膜电极组(membrane-electrode assembly, MEA )及具有气体流道的双极板(bipolar plates)。一般而言，MEA系由一质子交换膜(通常为一高分子膜，作为电解质)、分别位于该质子交换膜两侧的两个触媒层、及分别置于该两个触媒层外侧的两个气体扩散层(另可称为「电极气体扩散层」)所组成。目前，PEMFC及DMFC大都采用多孔性碳纸或碳布为电极的气体扩散层的材料。该扩散层除了可使反应气体通过及作为供电子移动的通道之外，由于其具有辅助水管理(water management)的作用，故能使催化反应中所产生的水顺利排除，以避免水泛滥而阻碍气体的传输，进而影响燃料电池的性能。因此，气体扩散层的水管理能力，系决定燃料电池电性的重要因素之一。为了避免水泛滥而影响燃料电池的性能，通常会在气体扩散层的碳5基材上做疏水处理，使多余的水可容易地排出，以延长燃料电池寿命。再者，由于目前使用的碳布及碳纸表面凹凸不平，此会影响到触媒层上触媒的反应及效率；是以，除了疏水处理之外，亦有必要对碳布或碳纸的表面进行平整处理。Taniguchi等人在美国专利第6， 083， 638号中揭示，将纤维状碳基材(fibrous carbon substrate)先经氟化树月旨(f luororesin)进行疏水处理后，在360。C下烘干；接着再用疏水性高分子(hydrophobicpolymer)及亲水性高分子(hydrophi 1 ic polymer)进行处理，而在碳基材上制造出疏水性及亲水性的通道。美国专利第5，561,000号则揭示先在碳布或碳纸上以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene， PTFE)进行疏水处理，然后再于经PTFE疏水处理的碳布或碳纸上涂上一层PTFE与碳的混合物。Gorma等人则于W0 00/54350中敎示改良美国专利第5, 561, 000号所揭露的技术，进一步处理美国专利第5， 561，000号所制得的碳布或碳纸，改变其为具亲水性的结构物。美国专利第6,733，915号揭露利用多孔性碳布或碳纸作为基材，先将碳基材含浸于一氟化物高分子(fluorinated polymer)溶液中进行疏水处理后，再于该经含浸碳基材上涂布上一层氟化物高分子与碳颗粒的混合物，之后于高温下进行烘干而得到经改质碳基材。美国专利第7,063,913号专利中则揭示，先将多孔性碳基材以疏水性高分子(hydrophobic polymer)进行预处理，再进行干燥而得到一具疏水性的碳基材；然后，再涂上一层氟碳高分子(fluorocarbonpolymer)及碳颗粒的混合物，最后再进行热处理。简言之，先前技术为了得到疏水性气体扩散层，通常会先对碳基材进行疏水处理以得到具疏水性的碳基材，其后再进行诸如涂布、含浸或喷洒等方法以对该经疏水处理的碳基材施用疏水性高分子与碳颗粒的混合物，接着于高温下进行热处理，从而得到一表面上具有碳颗粒层的疏水性气体扩散层材料。本案专利技术人经研究发现，可以相对简易的方式提供疏水性碳化基材，得到一具有所欲导电性、疏水性、透气性及平整性的经改质碳化基材。
技术实现思路
本专利技术的一目的，在于提供一种碳化基材的改质方法，包含提供 一碳化基材；提供一含疏水性高分子与碳材的混合物；将该混合物施用 至该碳化基材的至少一面；以及于惰性气体保护下，热处理该碳化基材。本专利技术的另一目的，在于提供一种经改质碳化基材，包含一碳化基 材及一整平层，该整平层系实质上直接地位于该碳化基材的至少一面 上。本专利技术的又一目的，在于提供一种燃料电池，其特点在于其至少一 电极含有如上所述的经改质碳化基材。附图说明图l系一种根据本专利技术的经改质碳化基材的结构示意图；以及 图2系一种根据本专利技术的燃料电池的单电池的膜电极组的结构示意图中符号说明如下1、 la、 lb 碳化基2、 2a、 2b 整平层 3a、 3b 触媒层 质子交换膜 5a、 5b 双极板 10 经改质 碳材22 疏水性材碳化基材 高分子具体实施例方式本专利技术碳化基材的改质方法中所用的碳化基材，系可选自以下群 组碳布、碳纸、及碳毡。进一步言之，任何可用作燃料电池中的气体 扩散层的材料皆可施用于本专利技术方法，例如Toray公司出产的TGP等级碳 纸、Textron USA出产的CPW-003碳织物、Le Carboneloraine出产的TCM 128及TGM 389碳织物、Zoltek出产的Panex PW-03、 SGL出产的SigracetGDL IOAA、 Lydell出产的Technimat 、及Spectracorp出产的Spectracarb 等。或者，可选购市面上的碳化基材(例如铨能科技股份有限公司，型 号FCW1005的碳布)或以已知方式制得的碳化基材(例如美国专利申 请案公开第2006/0214320号所揭露方法所获得的碳纤维纸)，经高温热 处理处理而提供本专利技术方法中所用的碳化基材。于本专利技术方法中，系直接于碳化基材的至少一表面上施用一含疏水 性高分子及碳材的混合物，以于该表面形成一整平层。于此，可用于本 专利技术中的疏水性高分子通常系含有氟碳键者，只要该氟碳键可提供所欲 的疏水性。举例言之，该疏水性高分子可选自以下群组聚四氟乙烯 (polytetraf luoroethylene ， PTFE ) 、 聚 六 氟 丙 烯 (polyhexafluoropropylene, PHFP)、六氟丙烯与四氟乙烯的共聚物 (copolymers of hexafluoropropylene and tetrafluoro— ethylene, FEP)、四氟乙烯与全氟丙基乙基醚的共聚物(copolymers of tetrafluoroethylene and perfluoropropylvinylether， PFA)、 四氟 乙烯与全氟甲基乙基醚的共聚物(copolymers 0f tetraf luoroethylene and perf luororaethyl vinylether ， MFA)、 氯三氟乙烯的均 聚物 (homopolymers of chlorotrif luoroethylene ， PCTFE)、 聚偏氟 乙烯(polyvin本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化基材的改质方法，包含：　提供一碳化基材；　提供一含疏水性高分子与碳材的混合物；　将该混合物施用至该碳化基材的至少一面；以及　于惰性气体保护下，热处理该碳化基材。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：柯泽豪，林瑞祥，黄建钧，廖元楷，刘璟翰，洪志荣，
申请(专利权)人：逢甲大学，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]