气体扩散电极基材制造技术

一种气体扩散电极基材，其用于燃料电池，所述气体扩散电极基材在电极基材的一面形成有由碳系填料和氟树脂构成的微多孔层，其中，与形成有微多孔层的面相反侧的面的水的滑移角为30度以下，所述气体扩散电极基材的垂直于面的方向的气体透过阻力为15～190mmAq。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种适用于燃料电池、特别是固体高分子型燃料电池的气体扩散电极基材。更详言而言，涉及一种耐溢流性、抗阻塞性优异，在低温下可显示高的发电性能，而且机械特性、导电性、热传导性优异的气体扩散电极基材。
技术介绍
固体高分子型燃料电池将含氢的燃料气体供给至阳极，将含氧的氧化气体供给至阴极，通过在两极引起的电化学反应而得到电动势，一般而言，该固体高分子型燃料电池依次层叠隔板、气体扩散电极基材、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极基材、隔板而构成。气体扩散电极基材需要用于使从隔板供给的气体扩散至催化剂层的高的气体扩散性、将伴随电化学反应而产生的水向隔板排出的高的排水性、将所产生的电流导出的高的导电性，从而由碳纤维等构成的电极基材被广泛使用。然而，作为课题，已知有：(1)当使固体高分子型燃料电池在低于70℃的较低温且高电流密度区域工作时，大量产生的液态水导致电极基材堵塞，燃料气体的供给不足，结果产生发电性能降低的问题(以下，记载为溢流)；(2)当在低于70℃的较低的温度且高电流密度区域使固体高分子型燃料电池动作时，大量产生的液态水导致隔板的气体流路(以下记载为流路)堵塞，燃料气体的供给不足，结果产生发电性能瞬间性降低的问题(以下记载为阻塞)。为解决这些(1)、(2)的问题，进行了诸多尝试。专利文献1中提出了一种使微多孔层的一部分渗入至电极基材内部的气体扩散电极基材。根据使用该气体扩散电极基材的燃料电池，由于隔板
侧的气体扩散电极基材表面平滑且具有高的疏水性，从而液态水不易在流路中滞留，可改善阻塞。但是，由于电极基材内部的空隙率减小，所以存在气体扩散性下降，发电性能降低的问题。专利文献2中提出了一种使用FEP作为电极基材的氟树脂的气体扩散电极基材。根据使用该气体扩散电极基材的燃料电池，由于FEP被覆电极基材的碳纤维，所以隔板侧的气体扩散电极基材表面具有高的疏水性，液态水不易在流路中滞留，可改善阻塞。然而，由于FEP被覆电极基材的碳纤维，所以存在隔板与气体扩散电极基材的界面阻力增大的问题。专利文献3中提出了一种在电极基材的两面使用形成有由碳黑、氟树脂构成的微多孔层的气体扩散电极基材的燃料电池。根据使用该气体扩散电极基材的燃料电池，由于隔板侧的微多孔层平滑且具有高的疏水性，从而液态水不易在流路中滞留，可改善阻塞。然而，由于隔板侧的微多孔层阻碍从电极基材向隔板的排水，所以存在溢流显著的问题。虽已进行了诸如此类的诸多尝试，但尚未发现可满足作为耐溢流性、抗阻塞性优异，且机械特性、导电性、热传导性优异的气体扩散电极基材的情况。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2008-127661号公报专利文献2：日本特开2006-120508号公报专利文献3：日本特开平9-245800号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题本专利技术的目的在于，鉴于该现有技术的背景，提供一种耐溢流性、抗阻塞性优异，在低温下可显示高的发电性能，进而机械特性、导电性、热传导性优异的气体扩散电极基材。用于解决课题的手段为解决所述课题，本专利技术的气体扩散电极基材采用如下方案。即，一种气体扩散电极基材，其用于燃料电池，所述气体扩散电极基材在电极基材的一面形成有由碳系填料和氟树脂构成的微多孔层，其中，与形成有微多孔层的面相反侧的面的水的滑移角为30度以下，所述气体扩散电极基材的垂直于面的方向的气体透过阻力为15～190mmAq。另外，为解决所述课题，本专利技术的气体扩散电极基材的制造方法采用如下方案。即，一种气体扩散电极基材的制造方法，所述制造方法用于制造所述的气体扩散电极基材，其中，在厚度为160μm以下的电极基材的一面涂布含有碳系填料、氟树脂及分散介质的碳涂布液，然后将涂布有碳涂布液的气体扩散电极基材水平地保持10秒以上且低于5分钟的时间，接着进行干燥及烧结，在上述过程中，在涂布碳涂布液之前不涂布氟树脂，或者在涂布碳涂布液之前涂布氟树脂，之后不进行烧结。另外，为解决所述课题，本专利技术的膜电极接合体系用如下方案。即，一种膜电极接合体，在电解质膜的两侧具有催化剂层，在所述催化剂层的外侧还具有所述的气体扩散电极基材、或通过所述的制造方法得到的气体扩散电极基材。进而，为解决所述课题，本专利技术的燃料电池采用如下方案。即，一种燃料电池，其在所述的膜电极接合体的两侧具有隔板。专利技术效果本专利技术的气体扩散电极基材由于与气体扩散电极基材的形成有微多孔层的面相反侧的面的水的滑移角为30度以下，所以流经流路内的液态水不易受气体扩散电极基材影响，抗阻塞性高。而且，本专利技术的气体扩散电极基材由于其垂直于面的方向的气体透过阻力为15～190mmAq，所以气体扩散性高，当使用本专利技术的气体扩散电极基材时，可显示高的发电性能。电极基材由于可以使用碳纸等，所以本专利技术的气体扩散电极基材的机械强度、导电性、热传导性也良好。具体实施方式目前，作为疏水性的指标，大多使用水的接触角，在电极基材的一面形成有微多孔层的气体扩散电极基材，上与形成有微多孔层的面相反侧的面的水的接触角大致为140度以上，采用水的接触角时无法看出疏水性的差异，但以水的滑移角进行测定时，便可看出气体扩散电极基材的种类带来的差异，本专利技术人利用该指标深入重复研究，结果完成了本专利技术。本专利技术的气体扩散电极基材在电极基材的一面形成有微多孔层。此外，本专利技术中，将仅由碳纸等构成且未设置微多孔层的基材、或“气体扩散电极基材”中的该部分称为“电极基材”，将在电极基材设有微多孔层的基材称为“气体扩散电极基材”。以下，针对各要素进行说明。本专利技术的电极基材需要用于将从隔板供给的气体向催化剂扩散的高的面内方向的气体扩散性及垂直于面的方向的气体扩散性、用于将伴随电化学反应而产生的液态水向隔板排出的高的排水性、用于将所产生的电流导出的高的导电性。此外，“垂直于面的方向”是指与基材面正交的方向。因此，作为电极基材，优选使用碳纤维织物、碳纤维无纺布、碳纤维抄纸体等含有碳纤维的多孔体、发泡烧结金属、金属网、膨胀金属等金属多孔体，其中，从耐腐蚀性优异的观点出发，优选使用含有碳纤维的多孔体，进而，从机械强度优异的观点出发，优选使用通过碳化物粘接碳纤维抄纸体而成的基材，即“碳纸”。在本专利技术中，通过碳化物粘结碳纤维抄纸体而成的基材通常如后所述，通过将树脂含浸于碳纤维的抄纸体中并进行碳化而得到。作为碳纤维，可举出聚丙烯腈(PAN)系、沥青系及人造丝系等碳纤维。其中，从机械强度优异观点的观点出发，在本专利技术中优选使用PAN系、沥青系碳纤维。本专利技术中的碳纤维的单纤维的平均直径优选为3μm以上，更优选为5μm以上。另外，单纤维的平均直径优选为20μm以下，更优选为10μm以下。当平均直径为3μm以上时，细孔径增大，排水性提高，可抑制溢流。另一方面，当平均直径为20μm以下时，水蒸气扩散性变小，高温下的发
电性能提高。另外，若使用具有不同平均直径的2种以上的碳纤维，则可提高电极基材的表面平滑性，故而优选。在此，碳纤维中的单纤维平均直径是通过扫描式电子显微镜等显微镜将碳纤维放大1000倍以上进行照相摄影，随机选取30根不同的单纤维，测量其直径，再求出其平均值而得到的。作为扫描式电子显微镜，可使用日立制作所(株)制S-4800或与其同等的产品。本专利技术中的碳纤维，其单纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体扩散电极基材，其用于燃料电池，所述气体扩散电极基材在电极基材的一面形成有含有碳系填料和氟树脂的微多孔层，其中，与形成有微多孔层的面相反侧的面的水的滑动角为30度以下，所述气体扩散电极基材的垂直于面方向的气体透过阻力为15～190mmAq。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.24 JP 2014-0328301.一种气体扩散电极基材，其用于燃料电池，所述气体扩散电极基材在电极基材的一面形成有含有碳系填料和氟树脂的微多孔层，其中，与形成有微多孔层的面相反侧的面的水的滑动角为30度以下，所述气体扩散电极基材的垂直于面方向的气体透过阻力为15～190mmAq。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极基材，其中，气体扩散电极基材在受压1MPa的状态下的垂直于面方向的电阻为7.4mΩ·cm2以下。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极基材，其中，在从气体扩散电极基材的形成有微多孔层的面的相反侧能够观察到的碳纤维表面附着有碳系填料，且在气体扩散电极基材的形成有微多孔层的面的相反侧的电极基材表面具有直径10μm以上的细孔。4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体扩散电极基材，其中，在从气体扩散电极基材的形成有微多孔层的面的相反侧能够观察到的碳纤维表面附着有碳系填料，且作为碳系填料包含纵横比为30～5000的线状碳。5.根据权利要求1～4中任一项所述的气体扩散电极基材，其中，从气体扩散电极基材的形成有微多孔层的面的相反侧能够观察到的碳纤维表面的1～70％被碳系填料覆盖。6.根据权利要求1～5中任一项所述的气体扩散电极基材，其中，所述电极基材的厚度为160μm以下。7.根据权利要求1～6中任一项所述的气体扩散电极基材，其中，相对于所述电极基材的形成有微多孔层的那一侧的表面粗糙度，其相反侧的表面粗糙度更大，且它们的差为1.0μm以上且5.0μm以下。8.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：宇都宫将道，谷村宁昭，釜江俊也，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP