[发明专利]燃料电池用气体扩散层及其形成方法

说明书

该燃料电池用气体扩散层具有导电性多孔层(21a)，该导电性多孔层(21a)包括：以沿着与膜电极接合体(10)层叠的层叠方向的空隙率的分布大致均匀的方式形成的多孔状的碳；以及分散配置于上述碳的内部整体的PTFE树脂。在将上述碳的表面中的未由PTFE树脂覆盖而露出的表面所占的比例定义为露出率的情况下，导电性多孔层(21a)中的阴极电极(12a)侧的露出率高于导电性多孔层(21a)中的扩散层基材(22a)侧的露出率。

技术领域

本发明涉及层叠于膜电极接合体的燃料电池用气体扩散层及其形成方法。

背景技术

固体高分子型燃料电池的燃料电池单体成为具有膜电极接合体(MEA)和气体扩散层(燃料电池用气体扩散层)的结构，该膜电极接合体通过在具有氢离子传导性的电解质膜的两面上形成催化剂层而成，该气体扩散层层叠于该膜电极接合体的各个催化剂层。通过向各个气体扩散层供给反应气体(燃料气体、氧化剂气体)而进行发电。

催化剂层是使碳载持有铂而且还含有电解质材料(离聚物)的结构，构成通过被供给的反应气体而产生发电反应的电极层。在膜电极接合体(MEA)中的一方的面上形成的催化剂层构成阳极(燃料极)，在另一方的面上形成的催化剂层构成阴极(空气极)。

气体扩散层是为了提高反应气体的扩散性而形成的层，以将反应气体向催化剂层的整体均匀供给的方式配置在各个催化剂层上。而且，气体扩散层也担负着用于从催化剂层排出生成水及加湿水的功能、用于从催化剂层有效地取出电流的功能。近年来，以进一步提高所述气体扩散层的功能为目的，进行了在气体扩散层中的与催化剂层接触的一侧的面上形成导电性多孔层的研究。

该导电性多孔层由具有疏水性及导电性的材料构成，是形成有无数个微细的孔的多孔层。因此，除了生成水及加湿水的排水功能提高之外，由于与催化剂层接触的接触面积增加，而从催化剂层取出电流的功能也提高。具有这样的导电性多孔层的气体扩散层例如如下制作：在由碳纸或碳布构成的扩散层基材的一方侧的面上涂敷将导电性材料和疏水性材料混合而成的糊状的涂敷材料，对其进行加热并进行烧成。加热后的上述涂敷材料成为导电性多孔层。

燃料电池单体使气体扩散层的导电性多孔层与膜电极接合体的各个催化剂层接触，成为利用两片气体扩散层夹住膜电极接合体的状态，通过利用热压等将它们接合而作成。

若考虑导电性多孔层与催化剂层的紧贴性，则优选导电性多孔层的空隙率较小。另一方面，若考虑导电性多孔层的气体扩散性，则反而优选导电性多孔层的空隙率较大。为了满足这样的彼此相反的要求，在下述专利文献1中记载了如下的导电性多孔层：在将导电性多孔层形成为双层结构的基础上，在催化剂层侧的层中减小空隙率，在扩散层基材侧的层中增大空隙率。通过形成为这样的结构，能够提高导电性多孔层与催化剂层的紧贴性，同时也能够提高导电性多孔层整体的气体扩散性。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-016171号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，作为扩散层基材而使用的碳纸等为纤维材质，因此从其表面突出有多个绒毛(碳纤维)。已知在利用气体扩散层夹住膜电极接合体进行热压等时，这样的绒毛有可能损伤膜电极接合体的电解质膜。若绒毛扎入电解质膜，则会发生反应气体的交叉泄漏而导致燃料电池的发电性能大幅下降。而且，也会发生阳极与阴极的导通。

尤其是上述专利文献1记载的导电性多孔层由于与扩散层基材接触的部分的空隙率大，因此绒毛容易从扩散层基材侧侵入，该绒毛贯通导电性多孔层而到达电解质膜的可能性高。这样，在以往的燃料电池用气体扩散层中，当想要充分提高导电性多孔层与催化剂层的紧贴性、及导电性多孔层的气体扩散性时，具有相对于绒毛的耐久性受损这样的问题。