[发明专利]气体扩散层及其制造方法以及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，其作为燃料气体使用纯氢、甲醇等液体燃料或者来自化石燃料等的改质氢等还原剂，作为氧化剂气体使用空气(氧)等，更具体来说，涉及该燃料电池所具备的气体扩散层及其制造方法。

背景技术

燃料电池，例如高分子电解质型燃料电池是如下的装置，即，通过使含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化剂气体在具有铂等催化剂层的气体扩散层中电化学地反应，而同时地产生电和热。

图8是表示以往的高分子电解质型燃料电池的基本结构的示意图。高分子电解质型燃料电池的单电池(也称作单元)100具有膜电极接合体110(以下称作MEA：Membrane-Electrode-Assembly)、和配置于MEA110的两面的一对板状的导电性的隔离板120。

MEA110具备选择性地输送氢离子的高分子电解质膜(离子交换树脂膜)111、和形成于该高分子电解质膜111的两面的一对电极层112。一对电极层112具有：催化剂层113，其形成于高分子电解质膜111的两面，以担载有铂金属催化剂的碳粉末作为主成分；气体扩散层114，其形成于该催化剂层113上，兼具集电作用、气体透过性和疏水性。气体扩散层114包含由碳纤维构成的多孔的基材115、由碳和疏水材料构成的涂覆层(疏水碳层)116。

在上述一对隔离板120中，在与气体扩散层114抵接的主面设有用于流过燃料气体的燃料气体流路121、用于流过氧化剂气体的氧化剂气体流路122。另外，在上述一对隔离板120中设有冷却水等通过的冷却水流路123。通过穿过各条气体流路121、122向上述一对电极层112分别供给燃料气体及氧化剂气体，而引起电化学反应，产生电和热。

一般的做法是，将如上所述地构成的单元100如图8所示地层叠1个以上，将相互邻接的单元100电气性串联而使用。而且，此时，对于相互层叠的单元100，为了不使作为反应气体的燃料气体及氧化剂气体泄漏，并且减少接触电阻，利用螺栓等联接构件130以给定的联接压力加压联接。所以，MEA110与隔离板120就会以给定的压力发生面接触。此时，隔离板120具有用于将相互邻接的MEA110、110之间电气性串联的集电性。另外，为了防止电化学反应中所必需的气体向外部泄漏，在一对隔离板120、120之间，覆盖催化剂层113和气体扩散层114的侧面地配置有密封材料(衬垫)117。

近年来，在燃料电池的领域中，要求进一步的低成本化，从减少各构成构件的单价、削减零件数目等观点出发，提出过各种低成本化的技术。作为其中之一，提出过将气体流路不是设于隔离板中而是设于气体扩散层中的技术。

图8所示的以往的燃料电池中，在隔离板中设置有气体流路。作为实现该结构的方法，例如有如下的方法，即，作为隔离板的材料使用碳和树脂，将它们使用具有与气体流路的形状对应的凹凸的模具注射成形。但是，该情况下，存在制造成本高的问题。另外，作为实现上述结构的其他的方法，有如下的方法，即，作为隔离板的材料使用金属，使用具有与气体流路的形状对应的凹凸的模具压延该金属。但是，该情况下，虽然与上述注射成形法相比可以实现低成本化，然而隔离板容易腐蚀，存在作为燃料电池的发电性能降低的问题。

另一方面，气体扩散层为了具备气体扩散性而由多孔构件构成。由此，将气体流路形成于气体扩散层中与形成于隔离板中相比更为容易，对于实现低成本化及高发电性能化是有利的。作为具有此种结构的气体扩散层，例如有专利文献1～3中记载的例子。

专利文献1中，记载有如下的技术，即，使用具备以长方体状伸长的多个流路模具的成形夹具，利用抄纸法将以碳纤维作为基材的多孔构件成形，通过在该成形后抽去上述成形夹具，而在气体扩散层的内部形成气体流路。

专利文献2中，记载有如下的技术，即，在将形成气体流路的以树脂或金属制成的隔壁图案化地形成于隔离板上后，通过覆盖该隔壁地形成以碳纤维作为基材的多孔构件，而在气体扩散层中形成气体流路。

专利文献3中，记载有如下的技术，即，通过在以碳纤维作为基材的多孔构件与平板状的隔离板之间，配设利用冲裁等形成了气体流路结构的以碳纸制成的流路结构构件，而在气体扩散层中形成气体流路。

另外，气体扩散层一般来说像上述专利文献1～3所示那样由以碳纤维作为基材的多孔构件构成。但是，以碳纤维作为基材的多孔构件由于制造工序复杂，制造成本花费大，因此价格高。所以，提出过通过不使用以碳纤维作为基材的多孔构件地构成气体扩散层来实现燃料电池的低成本化的技术。作为具有此种结构的气体扩散层，例如有专利文献4中记载的例子。