[发明专利]气体扩散电极基材及其制造方法、固体高分子型燃料电池

说明书

本发明的微孔层能够得到生产率高、发电性能和耐久性高的燃料电池。本发明为气体扩散电极基材，其在导电性多孔质基材的一侧具有微孔层，上述导电性多孔质基材包含碳纤维和树脂碳化物，且密度在0.25～0.39g/cm³的范围内，细孔众数直径在30～50μm的范围内，上述微孔层包含碳质粉末和氟树脂，且表面粗糙度为2.0～6.0μm，空隙率为50～95％，细孔众数直径为0.050～0.100μm。

技术领域

本发明涉及燃料电池中使用的气体扩散电极基材，特别涉及适合于燃料电池中的被作为燃料电池车等的电源使用的固体高分子型燃料电池的气体扩散电极基材。

背景技术

固态高分子型燃料电池的能量效率高，排放物只是水，因而人们期待着固态高分子型燃料电池作为清洁能量得到普及。

固态高分子型燃料电池的基本构成是：高分子电解质膜、形成在高分子电解质膜的两面的催化剂层、形成在该催化剂层的外侧的气体扩散电极基材、以及将它们夹入的2个隔膜。

燃料电池是将在氢与氧进行反应而生成水之时生成的能量以电能的形式取出的系统。因此，电负荷变大时，即，向电池外部取出的电流增大时，产生大量的水(水蒸气)。该水蒸气在低温时冷凝而变成水滴，堵塞了气体扩散电极基材的细孔时，气体(氧或氢)向催化剂层的供给量降低。而后，最终全部的细孔被堵塞时，发电停止(将此现象称为溢流(flooding))。

作为气体扩散电极基材，具体使用由碳纤维形成的碳毡、碳纸以及碳布等导电性多孔质基材，但由于该纤维的网目粗大，因而水蒸气冷凝时产生大的水滴，容易引起溢流。因此，有时在导电性多孔质基材上设置包含碳质粉末等的导电性微粒的微多孔层(也称为微孔层)。

关于该微孔层，一般通过对油墨进行干燥及烧结来形成，所述油墨(以下，称为MPL油墨)是将碳质粉末与作为其粘结剂的氟树脂粒子、表面活性剂分散于水中而得到的。此处，由于氟树脂的熔点远远高于上述MPL油墨的干燥温度，因而存在如下情况：在干燥中碳质粉末显著地移动而凝集，生成被称作裂纹的裂缝，即使通过烧结而使得氟树脂熔融并移动也无法修复。

在微孔层中已形成的裂纹容易成为水蒸气凝集的基点，因此容易发生溢流，性能容易降低。另外，由于电解质膜根据运转条件而发生溶胀收缩，因而使得裂纹放大和/或电解质膜损伤，从而导致耐久性降低。特别是，在采用将催化剂涂液涂布于微孔层上而形成催化剂层的工艺的情况下，无法均匀地涂布催化剂涂液。

专利文献1中，公开了变更导电性多孔质基材的密度来形成气体扩散电极基材的技术。

专利文献2中，公开了下述技术：对导电性多孔质基材进行疏水加工，然后于300℃以上的高温进行热处理来提高导电性多孔质基材的疏水性，然后形成微孔层。

专利文献3中，公开了使微孔层为双层构成来降低表面粗糙度的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-195374号公报

专利文献2：日本特开2011-171182号公报

专利文献3：日本特开2006-310201号公报

发明内容

发明要解决的课题

就专利文献1中记载的技术而言，虽然公开了通过使导电性多孔质基材为低密度来提高气体扩散性、提高发电性能的技术，但由于在导电性多孔质基材中包含纸浆碳化物，因此细孔众数直径小，发电性能的提高有限。另外，存在来自纸浆的杂质使燃料电池的耐久性下降这样的课题。