[发明专利]多孔质电极基材、其制造方法、膜-电极接合体以及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及在使用气体燃料和液体燃料的固体高分子型燃料电池中使用的多孔质电极基材、使用了该多孔质电极基材的膜-电极接合体、以及固体高分子型燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池是以使用质子传导性的高分子电解质膜为特征、通过使氢气等燃料气体与氧气等氧化气体进行电化学反应而获得电动势的装置。固体高分子型燃料电池可以作为自备发电装置、汽车等移动体用的发电装置来利用。

这样的固体高分子型燃料电池具有选择性传导氢离子(质子)的高分子电解质膜。此外，该燃料电池具有如下结构：具有以负载有贵金属系催化剂的碳粉末为主成分的催化剂层和气体扩散电极基材的2组气体扩散电极，以其各催化剂层侧为内侧，与高分子电解质膜的两面接合。

这样的包含高分子电解质膜和2组气体扩散电极的接合体被称为膜-电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。此外在MEA的两外侧设置有隔板，所述隔板形成有用于供给燃料气体或氧化气体并排出生成气体和过剩气体的气体流路。

为了降低电接触电阻并抑制从隔板被供给的燃料气体或氧化气体向燃料电池外漏出，将气体扩散电极基材通过隔板以数MPa的荷重紧固，因此需要机械强度。

此外，由于气体扩散电极基材主要需要具有以下3种功能，因此通常是具有多孔质结构的多孔质电极基材。气体扩散电极基材所要求的第一功能是，从配置在其外侧的隔板所形成的气体流路向催化剂层中的贵金属系催化剂均匀地供给燃料气体或氧化气体。第2功能是，排出通过催化剂层中的反应而生成的水。第3功能是，将催化剂层中的反应所需的电子或通过催化剂层中的反应而生成的电子向隔板导电。为了赋予这些功能，气体扩散电极基材一般使用碳质材料，这是有效的。

以往，为了提高机械强度，将碳短纤维抄浆后用有机高分子粘结，将其在高温下烧成，使有机高分子碳化，从而获得了由纸状的碳/碳复合体形成的多孔质电极基材。然而，存在制造工艺复杂、高成本这样的问题。此外，提出了以低成本化为目的、将氧化短纤维抄浆之后将其在高温下烧成而使氧化短纤维碳化而成的多孔质电极基材，但由于烧成时氧化短纤维收缩，因此存在电极基材的尺寸稳定性、起伏(片截面为波动的状态或翘曲的状态)大这样的问题。

在专利文献1中公开了一种燃料电池用多孔质碳电极基材，其特征在于，厚度为0.05～0.5mm且堆密度为0.3～0.8g/cm³，并且在应变速度10mm/分钟、支点间距离2cm和试验片宽1cm的条件下的3点弯曲试验中，弯曲强度为10MPa以上且弯曲时的挠度为1.5mm以上。然而，虽然该多孔质电极基材的机械强度高、起伏小、具有充分的气体透气度、导电性，但存在制造成本高这样的问题。

在专利文献2中公开了厚度0.15～1.0mm、堆密度0.15～0.45g/cm³、碳纤维含量95质量％以上、压缩变形率10～35％、电阻值6mΩ以下、风格度5～70g的碳纤维片。虽然该制法可以低成本化，但存在碳纤维纸烧成时的收缩大、所获得的多孔质电极基材的厚度不均匀性大、起伏大这样的问题。

在专利文献3中公开了将包含碳纤维和腈纶浆粕(acrylic pulp)纤维的片碳化而成的多孔质电极基材。该多孔质电极基材可以以低成本制造，但存在片化时碳纤维与腈纶浆粕纤维的缠绕少、多孔质电极基材的操作困难这样的问题。此外，由于腈纶浆粕纤维与通常的纤维状材料相比几乎没有聚合物的分子取向，因此为了降低碳化时的碳化率、提高操作性，需要添加大量的腈纶浆粕纤维。

专利文献1：国际公开第2002/042534号小册子

专利文献2：国际公开第2001/056103号小册子

专利文献3：日本特开2007-273466号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明是为了克服上述那样的问题而提出的，其目的是提供加压时的破坏少、操作性好、厚度精度高、起伏小、并且具有充分的气体透气度、导电性的多孔质电极基材、以及制造成本低廉的多孔质电极基材的制造方法。

用于解决课题的方案

本发明人等发现了通过以下发明〔1〕～〔6〕可解决上述课题。

〔1〕一种多孔质电极基材，是碳短纤维(A)通过平均直径4μm以下的网眼状碳纤维(B)被接合而成的。