[发明专利]燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件和燃料电池

说明书

使用一种燃料电池用气体扩散层，其是在燃料电池中使用的气体扩散层，气体扩散层由以导电性粒子和高分子树脂作为主成分的多孔构件构成，气体扩散层的内部具有0.01μm～0.05μm的细孔和1μm～200μm的空孔。使用一种燃料电池用气体扩散层的制造方法，其是在燃料电池中使用的气体扩散层的制造方法，其具备：混炼工序，将导电性粒子、高分子树脂、造孔剂、表面活性剂和分散溶剂进行混炼；压延工序，将混炼得到的混炼物进行压延，从而成形为片状；烧成工序，将成型为片状的混炼物进行烧成，使造孔剂升华而形成空孔，并且去除表面活性剂和分散溶剂；以及，再压延工序，将经烧成的混炼物进行再压延，从而调整厚度。

技术领域

本发明涉及燃料电池。特别是涉及燃料电池中使用的膜电极组件、膜电极组件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中，分别使电解质膜的一个面暴露于氢气等燃料气体，另一个面暴露于氧气。其结果，高分子电解质型燃料电池通过借助电解质膜的化学反应而合成水。高分子电解质型燃料电池的基本原理是将由此产生的反应能量进行电提取。

高分子电解质型燃料电池的单电池具有膜电极组件(以下记作MEA)和配置在MEA两面的一对导电性间隔件。

MEA具有：氢离子传导性高分子电解质膜；一对电极层，其具备夹持该电解质膜的一对电极层；催化剂层，其形成在高分子电解质膜的两面，且以担载有铂族催化剂的碳粉末作为主成分；以及气体扩散层，其形成在该催化剂层上，且兼具集电作用、透气性和拒水性。

气体扩散层起到将从间隔件供给的气体均匀地供给至催化剂层的作用，因此需要具备良好的透气性和气体扩散性。此外，气体扩散层作为催化剂层与间隔件之间的电子的传导路径还需要具有优异的导电性。因此，气体扩散层可以使用碳纤维无纺布、碳纤维织布等导电性多孔基材。

此外，对于气体扩散层，要求将催化剂层中通过电池反应而生成的多余水分迅速地去除至MEA体系外，而不使气体扩散层的细孔被生成水堵塞的高拒水性。因此，气体扩散层使用将导电性多孔基材用氟树脂等进行拒水处理而得到的产物。进而，气体扩散层中，在导电性多孔基材的与催化剂层接触的一侧大多设置以碳粉末和氟树脂等拒水性树脂作为主成分的拒水层。

像这样，就气体扩散层而言，通过对导电性多孔基材进行拒水处理而防止气体扩散层的细孔因生成水而堵塞。此外，拒水层通过使拒水性高于导电性多孔基材而能够将催化剂层中生成的多余水分迅速地排出至MEA体系外。

专利文献1中公开了在导电性多孔基材上形成有拒水层的气体扩散层。气体扩散层在由碳纤维构成的基材(例如纸、织布、无纺布)的表面形成有由碳材料(例如炭黑、中空状碳纤维)和氟树脂构成的拒水层。

此外，专利文献2、3、4中公开了未将碳纤维用作基材的气体扩散层。

专利文献2的气体扩散层由多孔构件构成，所述多孔构件以导电性粒子和高分子树脂作为主成分，且添加有重量比高分子树脂少的碳纤维。

专利文献3的气体扩散层是将石墨、炭黑、未烧成PTFE和烧成PTFE混合而构成的。

专利文献4的气体扩散层由硼改性碳、碳纤维和氟树脂构成。

进而，专利文献5中公开了一种气体扩散层，其由三维网状结构的多孔材料构成，所述多孔材料通过对由耐腐蚀性金属构成的原料粉末以及包含发泡剂和粘结剂的发泡性浆料进行发泡成型而具有彼此连通的多个空孔。

专利文献6中公开了一种气体扩散层，其中，在具有凹部和凸部的拒水性多孔体中，凸部的最多分布直径大于凹部的最多分布直径。

专利文献7、8中公开了一种气体扩散层，其设定了气体扩散层的细孔直径的范围。专利文献7的气体扩散层中，细孔容积的高频峰值被设定在细孔直径10～30μm的范围。此外，专利文献8的气体扩散层中，平均细孔直径被设定在31～49μm的范围。