气体扩散电极及其制造方法技术

一种气体扩散电极及其制造方法，所述气体扩散电极是在导电性多孔质基材的至少一面形成了含有导电性微粒和疏水性树脂的微多孔层的、用于燃料电池的气体扩散电极，其厚度方向的气体扩散性为30％以上，导电性多孔质基材的滑落角为70°以下，孔隙率为80％以上，微多孔层的厚度为10μm以上且50μm以下，孔隙率为60％以上且95％以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
燃料电池是将在使氢气和氧气反应生成水时所产生的能量以电的方式取出的机构，由于能量效率高且排出物只有水从而作为清洁能源受到期待。本专利技术涉及燃料电池所使用的气体扩散电极及其制造方法，特别是涉及燃料电池之中被用作燃料电池车辆等的电源的高分子电解质型燃料电池所使用的气体扩散电极及其制造方法。
技术介绍
高分子电解质型燃料电池所使用的电极在高分子电解质型燃料电池中被两个隔板夹持而配置于其间，在高分子电解质膜的两面具有由在高分子电解质膜的表面形成的催化剂层和在该催化剂层的外侧形成的气体扩散层构成的结构。作为用于形成电极上的气体扩散层的单独部件有气体扩散电极。并且，作为该气体扩散电极所需求的性能，例如可举出气体扩散性、用于将在催化剂层产生的电聚集的导电性、以及有效除去在催化剂层表面产生的水分的排水性等。为了得到这样的气体扩散电极，通常使用兼具气体扩散性能和导电性的导电性多孔质基材。作为导电性多孔质基材，具体而言使用由碳纤维构成的碳毡、碳纸(carbon paper)和碳布等，其中从机械特性等方面出发最优选碳纸。另外，燃料电池是将在氢气和氧气反应生成水时所产生的能量以电的方式取出的系统，因此当电负荷变大即增大向电池外部取出的电流时会产生大量的水(水蒸气)。如果该水蒸气在低温凝缩成为水滴堵塞气体扩散电极的细孔，则气体(氧气或氢气)向催化剂层的供给量降低，最终当所有细孔被堵塞时发电会停止(将该现象称为溢流(flooding))。为了尽可能不发生该溢流，换言之为了尽可能增大会引起溢流的电流值，气体扩散电极需求排水性。作为提高该排水性的手段，通常使用对导电性多孔质基材实施了疏水处理的气体扩散电极(参照专利文献1、2、3)。关于疏水处理，通常的技术是在将疏水材料分散于水或有机溶剂而得到的分散液中浸渍上述导电性多孔质基材(参照专利文献1、2、3)。另外，如果将实施了上述那样的疏水处理的导电性多孔质基材原样用作气体扩散电极，则由于其纤维的网眼粗大，当水蒸气凝缩时会产生大的水滴，不足以完全抑制溢流。因此，有时会在实施了疏水处理的导电性多孔质基材上，通过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(参照专利文献1、2、3)。关于燃料电池汽车用途，在起步、高速行驶、爬坡等运行模式中需求大输出，因此期望高输出。另外，为了达成高输出，需要氢气和/或氧气从燃料电池内部的隔板的气体流路通过气体扩散层迅速向催化剂层扩散。因此，气体扩散电极需求高度的气体扩散性。考虑到该需求，气体扩散电极用的导电性多孔质基材优选为极薄且孔隙率高的基材，从而使气体容易扩散。在这样的状况下，如果涂布微多孔层，则用于在厚度小且孔隙率高的基材形成微多孔层的涂液、即微多孔层涂液会渗入，在极端的情况下涂液会进到基材的里侧，涂液会污染制造工序。因此如果对其进行清扫等，生产性会降低。另外，如果微多孔层涂液渗入基材，则基材内部的细孔会被堵塞，气体难以扩散，发电性能有可能降低。在专利文献3中公开了一种技术：为了抑制微多孔层涂液渗入导电性多孔质基材，在基材的疏水处理后进行烧结，将疏水材料中的表面活性剂分解除去，由此使得之后涂布的微多孔层不会渗入。但是，专利文献3所公开的方法中，进行了疏水处理的基材与微多孔层的密合差，微多孔层在燃料电池组装中会缺失一部分，有可能无法发挥微多孔层原本的作用。在先技术文献专利文献1：日本特许第3382213号公报专利文献2：日本特开2000-123842号公报专利文献3：日本特许第3773325号公报
技术实现思路
本专利技术的课题是鉴于上述的技术背景，提供一种气体扩散性优异、微多孔层与导电性多孔质基材的密合良好的气体扩散电极。本专利技术的气体扩散电极为解决上述课题，采用以下手段。即，一种气体扩散电极，是在导电性多孔质基材的至少一面形成了含有导电性微粒和疏水性树脂的微多孔层的、用于燃料电池的气体扩散电极，其厚度方向的气体扩散性为30％以上，导电性多孔质基材的滑落角为70°以下，孔隙率为80％以上，微多孔层的厚度为10μm以上且50μm以下，孔隙率为60％以上且95％以下。另外，本专利技术的气体扩散电极的制造方法为了解决上述课题，采用以下手段。即，一种气体扩散电极的制造方法，所述气体扩散电极是在导电性多孔质基材的至少一面形成了含有导电性微粒和疏水性树脂的微多孔层的、用于燃料电池的气体扩散电极，在所述制造方法中，将导电性多孔质基材大致水平地输送或设置，从其下侧涂布微多孔层涂液，并进行干燥和烧结而得到气体扩散电极，所述微多孔层涂液中混炼了导电性微粒、疏水性树脂和分散介质。根据本专利技术的气体扩散电极，能够期待以下效果。·能够形成气体扩散性良好且能进行高输出的发电的气体扩散电极。·导电性多孔质基材与微多孔层的密合良好，难以产生裂缝等，因此能够形成耐久性良好、并且难以发生溢流的气体扩散电极。·能够形成在微多孔层表面附着异物等的外观缺陷少的气体扩散电极。另外，通过采用本专利技术的气体扩散电极的制造方法，能够期待以下效果。·能够很好地制造上述的本专利技术的气体扩散电极。·能够不污染工序且生产性高地生产气体扩散电极。附图说明图1表示制造本专利技术的气体扩散电极所优选的装置的配置的1例。图2表示用于制造比较例(现有技术)的气体扩散电极的装置的配置例。图3是在实施例和比较例中用于实施疏水处理的装置的配置图。图4是用于说明气体扩散电极的各构成要素的厚度的定义的气体扩散电极的概略截面图。图5是固体高分子型燃料电池的一个电池(单电池)的截面图。图6是用于测定面内的透气性的装置的概略图。图7是用于说明密合力的测定方法的概略图。具体实施方式本专利技术的气体扩散电极是在导电性多孔质基材的至少一面形成含有导电性微粒和氟树脂等疏水性树脂的微多孔层而成的。固体高分子型燃料电池中，气体扩散电极需要用于使从隔板供给的气体向催化剂扩散的高的气体扩散性、用于将伴随电化学反应而生成的水向隔板排出的高的排水性、用于将产生的电流取出的高的导电性。即，需求使气体在厚度方向上透过并且电传导性优异的片状的材料。因此，作为气体扩散电极使用具有导电性、平均细孔直径通常为10μm以上且100μm以下的多孔体构成的基材即导电性多孔质基材。作为导电性多孔质基材，具体例如优选使用碳纤维纸体、碳毡、碳纸、碳布等含有碳纤维的多孔质基材、泡沫烧结金属、金属网、多孔金属版等金属多孔质基材。其中，由于耐腐蚀性优异，优选使用含有碳纤维的碳毡、碳纸、碳布等多孔质基材，进而由于将电解质膜的厚度方向的尺寸变化吸收的特性即“弹簧性能”优异，优选使用将碳纤维纸体用碳化物粘结而成的基材即碳纸。在此，燃料电池的发电性能大大依赖于气体扩散性，因此在燃料电池汽车等需求高输出的用途中，期望使导电性多孔质基材的厚度极小，并且提高孔隙率、提高气体扩散性。因此，本专利技术中导电性多孔质基材的厚度优选为220μm以下，更优选为180μm以下，进一步优选为150μm以下，特别优选为120μm以下。另外，如果导电性多孔质基材的厚度过薄，则工序中的操作性有可能变差。因此，目前优选将70μm左右或80μm左右作为其下限。另外，导电性多孔质基材的孔隙率为80％以上，优选为85％以上可进一步提高气体的扩散性。作为能够在工业上生产的导电性多孔质基材的孔隙率的上限为95％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体扩散电极，是在导电性多孔质基材的至少一面形成了含有导电性微粒和疏水性树脂的微多孔层的、用于燃料电池的气体扩散电极，其厚度方向的气体扩散性为30％以上，导电性多孔质基材的滑落角为70°以下，孔隙率为80％以上，微多孔层的厚度为10μm以上且50μm以下，孔隙率为60％以上且95％以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.28 JP 2014-0692431.一种气体扩散电极，是在导电性多孔质基材的至少一面形成了含有导电性微粒和疏水性树脂的微多孔层的、用于燃料电池的气体扩散电极，其厚度方向的气体扩散性为30％以上，导电性多孔质基材的滑落角为70°以下，孔隙率为80％以上，微多孔层的厚度为10μm以上且50μm以下，孔隙率为60％以上且95％以下。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，所述导电性多孔质基材的厚度为150μm以下。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极，面内的透气性为25cc/分钟以上。4.根据权利要求1～3的任一项所述的气体扩散电极，所述导电性多孔质基材为碳纸。5.根据权利要求1～4的任一项所述的气体扩散电极，所述导电性多孔质基材与微多孔层的密合力为5N/cm2以上。6.根据权利要求1～5的任一项所述的气体扩散电极，其厚度方向的气体扩散性为32％以上，导电性多孔质基材的厚度为120μm以下，孔隙率为85％以上，微多孔层的厚度为10μm以上且40μm以下。7.根据权利要求1～6的任一项所述的气体扩散电极，疏水性树脂是聚四氟乙烯或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物。8.一种气体扩散电极的制造方法，所述气体扩散电极是在导电性多孔质基材的至少一面形...

【专利技术属性】
技术研发人员：加藤颂，若田部道生，三宅彻，桥本胜，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP