[发明专利]燃料电池用气体扩散层

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高燃料电池的气体扩散层的排水性能的技术。

背景技术

日本专利厅于2001年发布的JP2001-057215A提出了一种用于提高燃料电池的电极层的排水性能的气体扩散层。以往的技术是在气体扩散层上形成多孔性的碳层。通过混合大径的碳颗粒和小径的碳颗粒而形成碳层，在碳颗粒之间形成大径的空孔和小径的空孔。

与大径的空孔相比，小径的空孔发挥更大的毛细管力。因此，对大径的空孔实施防水处理，不对小径的空孔实施防水处理，从而使液相的水集中在小径的空孔中。当液相的水集中在小径的空孔中时，结果小径的空孔作为水通路发挥功能，大径的空孔作为气体通路发挥功能。以往技术通过上述那样地分离液相的水的通路和气体的通路来提高电极层的排水性能。

以往技术中的形成在气体扩散层上的碳层由疏水性的炭构成，因此即使在未被实施防水处理的状态下也具有防水性。加之使用防水性的聚四氟乙烯(PTFE)微粒作为用于形成碳层的结合剂。因此，即使在利用亲水性炭黑构成碳层的情况下，碳层的表面仍然具有防水性。

另一方面，即使对大径的空孔实施了防水处理，水进入大径的空孔中所需的压力也不会太大。也就是说，在只进行了防水处理的情况下，难以通过防止水进入到大径的空孔中而使水集中在小径的空孔中。

另外，在混合粒径较大的碳颗粒和粒径较小的碳颗粒而形成碳层的情况下，粒径较小的碳颗粒堵塞大径的空孔，因此很难在碳层内设置2种空孔。

发明内容

因而，本发明的目的在于实现一种用于在气体扩散层内将水通路与气体通路分离的新构造。

发明人进行了研究，结果发现对于将导电性微粒层设置在基材层上的气体扩散层，通过在该气体扩散层上调整导电性微粒层的空孔的孔径分布和毛细管力、以及调整基材层的毛细管力，能够实现上述目的，由此完成了本发明。

本发明的燃料电池的气体扩散层包括被层叠起来的导电性微粒层和基材层。基材层具有沿层叠方向贯穿基材层的多个空孔，导电性微粒层具有沿层叠方向贯穿导电性微粒层的多个第1空孔和多个第2空孔。第1空孔存在于0.5微米(μm)～50μm的第1孔径范围内。第2空孔存在于0.05μm以上且小于0.5μm的第2孔径范围内。第2空孔的总容积为导电性微粒层的所有空孔的总容积的百分之50(％)以上且小于100％。

另外，第1空孔中的容积比例达到最大的空孔的孔径D 1满足下述算式(A)、下述算式(B)和下述算式(C)的关系。

F1＝4·γ·cosθ₁/D1    (A)

F2＝4·γ·cosθ₂/D2    (B)

F1＜F2                  (C)

其中，F1＝作用于第1空孔中的容积比例达到最大的空孔的毛细管力；

F2＝作用于基材层的空孔中的容积比例达到最大的空孔的毛细管力；

γ＝水的表面张力；

θ₁＝导电性微粒层的与水的接触角；

θ₂＝基材层的与水的接触角；

D1＝第1空孔中的容积比例达到最大的空孔的孔径；

D2＝基材层的空孔中的容积比例达到最大的空孔的孔径。

本发明的另一目的在于提供一种在气体扩散层上形成大径的空孔和小径的空孔的新方法。

为了达到本发明的上述另一目的，发明人发明了一种气体扩散层的制造方法，该气体扩散层包括导电性微粒层和基材层。制造方法包括：第1工序，将碳颗粒和粘合剂颗粒混合并进行烧制，获得碳颗粒及粘合剂颗粒的烧结体；第2工序，粉碎烧结体而获得粉状体；第3工序，将粉状体加工成片状而获得导电性微粒层；第4工序，使导电性微粒层与基材层接合。

本发明的详细内容和其他特征、优点见说明书的下述说明和添加的附图。

附图说明

图1是本发明的气体扩散层的概略纵剖视图。

图2是含有气体扩散层的膜电极组件的概略纵剖视图。

图3是导电性微粒层的概略纵剖视图，用于说明水滴的接触角。

图4是构成导电性微粒层的导电性微粒/粘合剂颗粒的集合体和形成在集合体之间的大空孔的俯视图。

图5是形成在导电性微粒与粘合剂颗粒之间的小空孔、或形成在导电性微粒之间的小空孔、或形成在粘合剂颗粒之间的小空孔的俯视图。

图6是说明本发明的气体扩散层的制造方法的流程图。

图7是具有本发明的气体扩散层的固体高分子型燃料电池的纵剖视图。