[发明专利]气体扩散层、膜电极接合体及燃料电池

说明书

本发明的课题在于提供使燃料电池的发电性能提高的气体扩散层。气体扩散层具有碳片材和在前述碳片材的至少一面上的微多孔层，当从前述气体扩散层的单侧沿面垂直方向以0.5MPa的压力对前述气体扩散层中任意选择的宽度为10mm且进深为3mm的区域进行压缩时，将氧沿面内方向从气体扩散层内部透过的“面内氧透过系数”设为A，将以2Mpa对前述气体扩散层的面垂直方向进行压缩时的“电阻”设为B，将从A中减去以60乘B所得的数、再加上310而得到的数设为“面内氧透过系数和电阻的兼顾性指标”C时，满足C为0以上的关系。

技术领域

本发明涉及适用于燃料电池、特别是固体高分子型燃料电池的包含碳片材和微多孔层的气体扩散层、以及包含该气体扩散层的膜电极接合体及包含该气体扩散层的燃料电池。

背景技术

固体高分子型燃料电池通常是将隔膜、气体扩散层、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散层及隔膜依次层叠而构成的，所述固体高分子型燃料电池是向阳极供给含氢的燃料气体、向阴极供给含氧的氧化气体，通过在两极间发生的电化学反应而得到电动势。上述的气体扩散层需要具备下述性质：用于使从隔膜供给的气体向催化剂层扩散的高气体扩散性、用于将伴随着电化学反应而生成的水向隔膜排出的高排水性以及用于导出所产生的电流的高导电性，因此，以由碳纤维等形成的碳片材作为基材并在其表面形成有微多孔层的气体扩散层被广泛使用。

但是，作为这样的气体扩散层的课题，可列举导电性和气体扩散性的权衡关系。影响导电性的具有代表性的因素为由气体扩散层中所含的碳纤维等导电材料彼此的接触而形成的导电路径。另外，影响气体扩散性的具有代表性的因素是气体扩散层内部的空隙率、即气体扩散路径的存在量。为了提高导电性而使用例如密度高的碳片材来制作使导电路径增加并降低了碳片材内部的材料电阻的气体扩散层时，因碳片材的高密度化而使碳片材内部的气体透过路径减少，气体扩散性变差。相反，在为了提高气体扩散性而减小碳片材内部的密度来增大气体透过路径时，碳片材内部的导电路径增大，导电性变差。这样，难以兼顾高导电性和高气体扩散性，对于致力于开发以提高其中一特性为目的的气体扩散层而言，不得不牺牲另一特性，因此即使想要提高包含气体扩散层的燃料电池的发电性能，性能提高的程度也存在限度。

例如，为了提高前述气体扩散层的气体扩散性及排水性，提出了下述方法：在将作为微多孔层的前体的涂液涂布于碳片材的工序中，通过对基材的搬送辊附加拒水性，从而抑制前述涂液向碳片材面垂直方向上渗透，并且使基材内部的气体透过路径增大的方法(参见专利文献1)；在包含尺寸不同的2种碳纤维的气体扩散层中，通过使其中一种碳纤维的存在比率在厚度方向上沿一定方向变化，从而使厚度方向的细孔径发生变化、并且提高厚度方向的气体扩散性的方法(参见专利文献2)。另外，出于兼顾气体扩散性和导电性的目的，提出了下述方法：在气体扩散层的前体片材中，通过提高碳短纤维的分散性及交织性等，从而提供片材强度大、制造成本低、且气体扩散性和导电性优异的气体扩散层的方法(参见专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-50073号公报

专利文献2：日本特开2018-14275号公报

专利文献3：日本特开2015-118944号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1记载的发明中，抑制了微多孔层前体向碳片材中渗透，结果存在下述可能性：在气体扩散层内部没有形成充分的微多孔层，前述气体扩散层的导电路径增大，导电性下降。另外，专利文献2及3记载的发明是不包含微多孔层的气体扩散层，因此不能实现如同包含微多孔层的气体扩散层那样的导电性。在具有微多孔层的气体扩散层中，重要的是在气体扩散层内部的哪个位置形成哪种程度的量的微多孔层，因此必须根据前体片材的结构来对微多孔层前体涂液的组成及单位面积重量等进行适当的控制。