[发明专利]燃料电池用电极

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用电极，更详细地说，涉及兼具气体扩散层和电极催化剂层的两功能的燃料电池用电极。

背景技术

燃料电池是通过将氢等燃料和大气中的氧供给电池，使它们进行电化学反应而生成水，从而使其直接发电，由于能够高能转换，环境适应性优异，因此面向小规模地域发电、家庭用发电、露营场所等的简易电源、汽车、小型船舶等的移动用电源、人造卫星、宇宙开发用电源等各种用途，在进行开发。

这样的燃料电池，特别是固体高分子型燃料电池由模块构成，该模块通过将由固体高分子电解质膜和在其两侧配设的阳极电极和阴极电极组成的膜电极接合体用一对隔板夹持而成的单元电池多个并列设置而成。

上述阳极电极和阴极电极一般各自由位于电解质膜侧的电极催化剂层和位于隔板侧的气体扩散层这2层构成，因此，作为膜电极接合体整体，通常由5层构成。

近年来，作为上述电极催化剂层、气体扩散层（的基材），已开始使用碳纤维结构体。

例如，专利文献1中，公开了具有有氮原子的碳纳米纤维（以下也有时称为CNF）和与其氮原子结合的催化剂粒子的非织造布状的负载催化剂的CNF燃料电池用催化剂电极层。

专利文献2中，公开了使催化剂负载于导电性长纤维片材的燃料电池催化剂电极。

专利文献3中，公开了由纤维直径0.3～1.5dtex的碳纤维长丝织物构成的气体扩散层。

专利文献4中，公开了由具有纳米壳结构的纳米纤维制成的碳合金催化剂。该碳合金催化剂中，构成纳米纤维的碳结构自身具有催化剂活性。

上述专利文献1的催化剂电极层，其特征在于，为了防止负载的催化剂的粒子凝聚（烧结），使CNF中含有氮原子。为了制作该含有氮的CNF，900℃以下的低温烧成是必要的，在该温度下，由于碳化不充分，因此导电性缺乏。因此，作为膜电极接合体使用的情况下，附加导电物质或者赋予纤维自身导电性的加工是必要的。

此外，专利文献1中，没有示出使用催化剂电极层也作为气体扩散层。

对于上述专利文献2的催化剂电极层，实施例中的使用催化剂量多达1mg/cm²，与粒子状碳催化剂层比较，最大起电力只为1.3倍以上左右的差。这起因于，由于导电性纤维非织造布的柔软性不足，因此膜接合界面的密合性差，如果只使导电性纤维非织造布表面的面电阻降低，负载有催化剂的导电性纤维非织造布表面与电解质膜和气体扩散层的膜接合界面的电阻不能下降。

此外，专利文献2中，在燃料电池的制作中，使用碳纸作为具有气体扩散性的支持体，未示出使用催化剂电极层也作为气体扩散层。

上述专利文献3的构成气体扩散层的碳纤维长丝束制成的织物，虽然宏观上比较柔软，能够进行辊加工，但从微观水平上看时，纤维直径粗达6μm左右，纤维1根1根刚直，同时由于为长丝束，因此容易产生纤维的起毛，因此贯通电解质，发生阳极·阴极间的短路、燃料气体泄漏的问题。因此，有必要对气体扩散层进行表面处理。

此外，专利文献3中，没有示出使用气体扩散层也作为电极催化剂层。

对于上述专利文献4的技术，通过在纳米纤维中形成碳合金催化剂（纳米壳结构）粒子，从而防止粒子的粗大化，得到微细的催化剂粒子。对于该碳合金催化剂，虽然在纤维内部存在大量的催化剂，但该催化剂不参与氧化还原反应。碳催化剂粒子自身缺乏导电性，基本上只由催化剂粒子形成的纤维也缺乏导电性。

因此，单独用该纳米纤维，实质上不可能兼具气体扩散层和电极催化剂的两功能。

如上所述，对于专利文献1～4的技术，基本上需要气体扩散层和电极催化剂层两者。

另一方面，专利文献5中，公开了使催化剂前体附着于兼具气体扩散性能和电极性能的碳纳米纤维非织造布，烧成得到的膜电极接合体。

但是，对于该专利文献5的技术，将催化剂限定为碳催化剂，而且使用的CNF如后面列举比较例详述那样，是不具有柔性的脆的结构物，因此在膜电极接合体成型时的压力下，非织造布结构崩溃。其结果，得到的膜电极接合体的气体扩散性和排水性降低，与其相伴，制成燃料电池时的发电性能也大幅降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2010-118269号公报

专利文献2：特开2009-181783号公报

专利文献3：特开2005-36333号公报

专利文献4：国际公开第2009/098812号小册子

专利文献5：国际公开第2009/148111号小册子

发明内容

发明要解决的课题