气体扩散电极和燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种气体扩散电极，其在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，其中，在厚度方向贯穿上述微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％，并且，上述微多孔层的厚度100％中，在上述导电性多孔基材中渗入的上述微多孔层(以下称为渗入部分)的厚度的比例(以下称为渗入量)为30％～70％。在将气体扩散电极用于燃料电池时，可得到排水性高、发电性能高的燃料电池。

Gas Diffusion Electrode and Fuel Cell

The present invention relates to a gas diffusion electrode which has at least one micro-porous layer on the conductive porous base material, in which the total area ratio of the area penetrating the micro-porous layer in the thickness direction is 0.1%~1%, and the thickness ratio of the micro-porous layer (hereinafter referred to as the infiltration part) infiltrated into the conductive porous base material is 100% of the thickness of the micro-porous layer. Cases (hereinafter referred to as infiltration) ranged from 30% to 70%. When gas diffusion electrodes are used in fuel cells, fuel cells with high drainage and power generation performance can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散电极和燃料电池
燃料电池是将使氢和氧反应而生成水时产生的能量以电的形式提取的机构，由于其能量效率高且排出物仅为水，因此其作为绿色能源得到普及备受期待。本专利技术涉及燃料电池中使用的气体扩散电极，尤其涉及适合在燃料电池中的作为燃料电池车等的电源使用的高分子电解质型燃料电池中使用的气体扩散电极。
技术介绍
用于高分子电解质型燃料电池的电极在高分子电解质型燃料电池中被2个间隔件夹持而配置于其间，并且，具有如下结构：在高分子电解质膜的两面，由形成于高分子电解质膜的表面的催化剂层和形成于该催化剂层的外侧的气体扩散层构成。作为用于形成电极中的气体扩散层的单独的构件，流通有气体扩散电极。而且，作为该气体扩散电极所要求的性能，例如可举出气体扩散性、用于集电在催化剂层产生的电的导电性和高效地除去在催化剂层表面产生的水分的排水性等。为了得到这种气体扩散电极，一般而言，使用兼具气体扩散能和导电性的导电性多孔基材。作为导电性多孔基材，具体而言，使用由碳纤维构成的碳毡、碳纸和碳布等，其中，从机械强度等方面出发，最优选为碳纸。此外，燃料电池是将使氢与氧反应而生成水时产生的能量以电的形式提取的系统，因此电负荷变大即增大提取到电池外部的电流，则产生大量的水(水蒸气)，而该水蒸气在低温下凝结成水滴，堵塞气体扩散电极的细孔，则向催化剂层的气体(氧或者氢)供给量下降，最终堵塞全部的细孔，停止发电(将该现象称为水淹(flooding))。为了尽量不发生这样的水淹现象，对气体扩散电极要求排水性。作为提高该排水性的方法，通常使用对导电性多孔基材实施了疏水处理的气体扩散电极基材而提高疏水性。此外，若直接使用如上述的经疏水处理的导电性多孔基材作为气体扩散电极，则由于其纤维的网眼粗，因此水蒸气凝结时产生大的水滴，容易引起水淹。因此，有时在实施了疏水处理的导电性多孔基材上，将分散有炭黑等导电性微粒的涂液进行涂布、干燥烧结，从而设置被称为微多孔层的层(也称为微孔层)。已知有因微多孔层的表面的裂纹等缺陷少而耐久性良好且不易引起水淹的气体扩散电极(专利文献1)。另一方面，专利文献2中公开了一种技术，其通过在微多孔层有意地设置微细的裂纹，从而提供在卷取前后不产生微多孔层的结构变化的、能够卷取成辊状的气体扩散电极。而且，专利文献3中公开了一种气体扩散电极，其通过利用具有多孔状连通空隙部的膜，以获得良好的气体扩散性和表面平滑性且具有以碳纤维的片状物无法得到的强弯曲性，处理性优异。专利文献4中记载了控制裂纹的形成状态的同时赋予优异的气体透过性和气体扩散性的技术。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2016－6799号公报专利文献2：日本特开2016－12558号公报专利文献3：日本特开2013－139550号公报专利文献4：日本特开2012－54111号公报
技术实现思路
但是，专利文献1所记载的气体扩散电极中，没有考虑微多孔层渗入到导电性多孔基材中的现象，有时排水性不充分，有时燃料电池的发电性能不充分。专利文献2所记载的气体扩散电极中，记载了裂纹为25～1000个/m2，即，占0.001％左右的面积，因此排水性不充分，并且，目的在于防止卷取前后的结构变化，与本专利技术不同。此外，专利文献3中，气体扩散电极涉及具有弯曲的连通空隙部的导电性膜，没有渗入的概念，因此，排水性不充分。专利文献4所记载的气体扩散电极中，以使微多孔层实质上不渗入的方式对基材涂布了含有大量的疏水剂的物质，因此，导电性和热传导性不充分。因此，本专利技术的目的在于提供一种提高排水性且在用于耐久性高的燃料电池时提高发电性能的气体扩散电极。为了解决上述课题，本专利技术的气体扩散电极具有如下的构成：一种气体扩散电极，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，其中，在厚度方向贯穿上述微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％，且上述微多孔层的厚度100％中，在上述导电性多孔基材中渗入的上述微多孔层(以下称为渗入部分)的厚度的比例(以下称为渗入量)为30％～70％。为了解决上述课题，本专利技术的燃料电池具有如下的构成：一种燃料电池，其具有上述的气体扩散电极。本专利技术的气体扩散电极优选的是气体扩散电极的面积每1mm2中，在厚度方向贯穿微多孔层的区域为0.4个～7.0个。本专利技术的气体扩散电极优选的是将渗入部分以外的微多孔层作为非渗入部分时，将非渗入部分中的碳强度为100，则非渗入部分中的氟强度为5～20。本专利技术的气体扩散电极优选的是上述导电性多孔基材的密度为0.15g/cm3～0.5g/cm3。本专利技术的气体扩散电极优选的是上述微多孔层的厚度为100μm以下。将本专利技术的气体扩散电极用于燃料电池时，可得到气体扩散性和排水性高且发电性能和耐久性高的燃料电池。附图说明图1是本专利技术的气体扩散电极的示意剖面图。具体实施方式本专利技术是一种气体扩散电极，是在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层的气体扩散电极，在厚度方向贯穿上述微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％。作为本专利技术的气体扩散电极中使用的导电性多孔基材，具体而言，例如，优选使用碳纤维织物、碳纤维抄纸体、碳纤维无纺布、碳毡、碳纸、碳布等包含碳纤维的多孔基材、发泡烧结金属、金属网、金属板网等金属多孔基材。其中，从耐腐食性优异的点出发，优选使用包含碳纤维的碳毡、碳纸、碳布等多孔基材，另外，从吸收电解质膜的厚度方向尺寸变化的特性即“弹性”优异的点出发，优选使用将碳纤维抄纸体用碳化物粘结而得到的含有树脂碳化物的基材即碳纸。本专利技术中，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层。微多孔层是含有炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维的短切纤维、石墨烯、石墨等导电性微粒的层。作为导电性微粒，从成本低、安全性或制品的品质的稳定性的方面出发，优选使用炭黑。从杂质少、不易降低催化剂的活性的方面出发，优选使用乙炔黑。此外，作为炭黑的杂质的含量的基准，可举出灰分，优选使用灰分为0.1质量％以下的炭黑。应予说明，炭黑中的灰分越少越优选，特别优选灰分为0质量％的炭黑即不含灰分的炭黑。此外，对微多孔层要求导电性、气体扩散性、水的排水性或者保湿性、热传导性这样的特性以及在燃料电池内部的阳极侧的耐强酸性、在阴极侧的耐氧化性，因此微多孔层除了导电性微粒以外，优选含有以氟树脂为代表的疏水性树脂。作为微多孔层所含的氟树脂，与对导电性多孔基材赋予疏水性时优选使用的氟树脂相同，可举出PTFE、FEP、PFA、ETFA等。从疏水性特别高的点出发，优选为PTFE或FEP。本专利技术的气体扩散电极在其微多孔层中有在厚度方向贯穿微多孔层的区域。在厚度方向贯穿的区域有时为孔状，有时为裂纹(裂痕、裂缝)，有时为孔和裂纹的混合等。在厚度方向贯穿微多孔层的区域中，在从导电性多孔基材侧照光时光将透射至微多孔层侧。因此，通过从导电性多孔基材侧照光时从微多孔层侧是否能检测到光来判断是否有在微多孔层的厚度方向贯穿的区域。本专利技术的气体扩散电极中，在厚度方向贯穿微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％。若小于0.1％，则孔、裂纹少，排水性有可能不充分。若在厚度方向贯穿微多孔层的区域的合计面积率超过1％，则孔、裂纹多，在反复发电时，电解质膜沿着微多孔层的凹凸发生变形或者碳纤维从导电性多孔基材突出或者在电解质膜产生孔或破裂，燃料电池的耐久性有可能下降。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体扩散电极，是在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层的气体扩散电极，其中，在厚度方向贯穿所述微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％，并且，所述微多孔层的厚度100％中，向所述导电性多孔基材中渗入的所述微多孔层即渗入部分的厚度的比例即渗入量为30％～70％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.29 JP 2016-1909791.一种气体扩散电极，是在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层的气体扩散电极，其中，在厚度方向贯穿所述微多孔层的区域的合计面积率为0.1％～1％，并且，所述微多孔层的厚度100％中，向所述导电性多孔基材中渗入的所述微多孔层即渗入部分的厚度的比例即渗入量为30％～70％。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中，在厚度方向贯穿微多孔层的区域，在气体扩散电极的面积每...

【专利技术属性】
技术研发人员：重田和代，浦井纯一，冈野保高，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP