气体扩散电极基材及其制造方法技术

本发明专利技术提供能够抑制由细孔堵塞所引起的气体扩散性的降低、抑制发电性能的降低、而且水向系统外的排出性优异的气体扩散电极基材。本发明专利技术为一种气体扩散电极基材，其是在电极基材的一个表面配置有微多孔层(以下称为MPL)的气体扩散电极基材，厚度为110μm以上240μm以下，在将气体扩散电极基材的截面分为具有MPL的部分和不具有MPL的部分，而且将不具有MPL的部分二等分为与MPL接触的部分(以下称为CP1截面)和不与MPL接触的部分(以下称为CP2截面)时，CP1截面的F/C比为0.03以上0.10以下，CP2截面的F/C比小于0.03。在此，“F”表示氟原子的质量，“C”表示碳原子的质量。

Gas diffusion electrode base material and its manufacturing method

The invention provides a gas diffusion electrode substrate capable of inhibiting the reduction of gas diffusivity caused by the blockage of the pores, reducing the power generation performance, and discharging the water to the outside of the system. The invention relates to a gas diffusion electrode substrate, its surface is in a configuration of electrode substrate micro porous layer (hereinafter referred to as MPL) of the gas diffusion electrode substrate, the thickness of 110 m above 240 m, in the section of gas diffusion electrode substrate is divided into MPL parts and parts with the MPL, and will not be part of equal MPL two for contact with the MPL part (hereinafter referred to as CP1 section) and not in contact with the MPL section (hereinafter referred to as CP2 section), CP1 section of the F/C ratio above 0.03 below 0.10, CP2 section of the F/C is less than 0.03. Here, \F\ represents the mass of the fluorine atom, and \C\ indicates the mass of the carbon atom.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散电极基材及其制造方法
燃料电池是以电的形式获取在使氢和氧反应生成水时产生的能量的机构，由于能量效率高，排出物只有水，因此被期待着作为清洁能源。本专利技术涉及在燃料电池中使用的气体扩散电极基材及其制造方法，特别是涉及燃料电池之中的、作为燃料电池车等的电源使用的固体高分子型燃料电池所使用的气体扩散电极基材及其制造方法。
技术介绍
固体高分子型燃料电池所使用的电极，在高分子电解质膜的两面具有由形成于高分子电解质膜表面的催化剂层、和在该催化剂层的外侧形成的气体扩散层构成的结构。作为用于形成电极中的气体扩散层的独立的构件，电极基材广泛通用。而且，作为对该电极基材要求的性能，例如可举出气体扩散性、用于将在催化剂层中产生的电集电的导电性、和将在催化剂层表面产生的水分效率好地除去的排水性等。为了得到这样的电极基材，一般地使用具备气体扩散能力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，可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，最优选碳纸。另外，燃料电池是以电的形式获取在氢和氧反应生成水时产生的能量的系统，因此当电负载变大时，即，当增大向电池外部获取的电流时，会产生大量的水(水蒸气)，该水蒸气在低温下凝结而变为水滴，如果堵塞气体扩散层的细孔，则气体(氧或氢)向催化剂层的供给量降低，如果最终全部的细孔被堵塞，则发电会停止。将该现象称为水淹。为了尽可能避免发生该水淹，反过来说，为了尽可能增大引起水淹的电流值，对气体扩散层要求排水性。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憎水处理的电极基材来提高憎水性。另外，曾提出了通过电极基材内的憎水材料的量从催化剂层侧朝向另一侧连续性地减少，来使排水性进一步提高的技术。(专利文献1、2)在先技术文献专利文献专利文献1:日本专利第5079195号公报专利文献2:特开2014－63730号公报
技术实现思路
在专利文献1中，为了仅抑制憎水液向导电性多孔质基材的渗入，提出了一边将导电性多孔质基材加热一边涂敷憎水液的方法。但是，如果一边将导电性多孔质基材加热一边涂敷憎水液，则导电性多孔质基材的催化剂层侧的憎水材料的量变得不充分，在憎水性缺乏的部位水凝聚，阻碍水向系统外的排出。在专利文献2中，提出了从导电性多孔质基材的一面涂敷由碳粉和憎水材料构成的涂敷液，使涂敷液中的憎水材料渗入到导电性多孔质基材的方法。提出了：对导电性多孔质基材不进行任何处理的情况、和作为基底处理使表面活性剂溶液浸渗导电性多孔质基材，使涂敷液更容易渗入到导电性多孔质基材中的情况。但是，不仅涂敷液中的憎水材料，碳粉也渗入到导电性多孔质基材中，由此，细孔被堵塞，气体扩散性降低，发电性能降低。另外，特别是使用表面活性剂进行了基底处理的情况下，存在憎水材料和碳粉到达涂敷了涂敷液的那侧的相反侧，阻碍水向系统外的排出的问题。本专利技术为了解决上述的课题，采用了如下方案。一种气体扩散电极基材，是在电极基材的一个表面配置有微多孔层(以下称为MPL)的气体扩散电极基材，厚度为110μm以上240μm以下，在将气体扩散电极基材的截面分为具有MPL的部分和不具有MPL的部分，而且将不具有MPL的部分二等分为与MPL接触的部分(以下称为CP1截面)和不与MPL接触的部分(以下称为CP2截面)时，CP1截面的F/C比为0.03以上0.10以下，CP2截面的F/C比小于0.03，其中，F表示氟原子的质量，C表示碳原子的质量。采用本专利技术的气体扩散电极基材构成了气体扩散层的燃料电池，在燃料电池的低温条件、即在燃料电池内部水蒸气凝结产生水滴的条件下的高电流密度下的发电性能良好。附图说明图1是本专利技术的气体扩散电极基材的模式截面图。图2是本专利技术的气体扩散电极基材的具有MPL的部分和不具有MPL的部分的边界说明图。具体实施方式本专利技术的气体扩散电极基材，在电极基材的一个表面配置有微多孔层(以下称为MPL)。再者，在本专利技术中，将在电极基材的一个表面配置有MPL的基材称为“气体扩散电极基材”。“气体扩散电极基材”是与燃料电池电极中的气体扩散层相当的独立构件。而且，“电极基材”意指含有氟原子的“导电性多孔质基材”。在本专利技术中，气体扩散层需要：用于将从隔板供给的气体向催化剂扩散的高的气体扩散性、用于将伴随着电化学反应而生成的水向隔板排出的高的排水性、和用于获取产生的电流的高的导电性。因此，作为用于构成气体扩散层的气体扩散电极基材所使用的电极基材，使用具有导电性、且平均细孔直径通常为10～100μm的多孔体所构成的导电性多孔质基材。在此，作为导电性多孔质基材，具体而言，优选使用例如碳纤维织物、碳纤维抄纸体、碳纤维无纺布、碳毡、碳纸、碳布等的含有碳纤维的多孔质基材、泡沫烧结金属、金属网、多孔金属网等的金属多孔质基材。其中，从耐腐蚀性优异出发，作为导电性多孔质基材，优选使用含有碳纤维的多孔质基材，进而，从吸收电解质膜的厚度方向的尺寸变化的特性、即“弹性”优异出发，优选使用作为将碳纤维抄纸体用碳化物粘结而成的基材的碳纸。在本专利技术中，碳纸可通过向碳纤维抄纸体浸渗树脂并进行碳化来得到。作为碳纤维，可举出聚丙烯腈(PAN)系、沥青系、人造丝系等的碳纤维。其中，从机械强度优异出发，在本专利技术中优选使用PAN系、沥青系碳纤维。在本专利技术中，导电性多孔质基材、电极基材的厚度优选为210μm以下。另外，导电性多孔质基材、电极基材的厚度优选为90μm以上。当导电性多孔质基材、电极基材的厚度为210μm以下时，在使用它作为气体扩散电极基材的情况下，厚度方向的气体的扩散距离变短，气体扩散性提高，另外，由于排水的路径变短，因此排水性提高，能够抑制水淹，而且，导电的路径变短，导电性提高，不论在高温和低温的哪种情况下发电性能都提高。另一方面，当导电性多孔质基材、电极基材的厚度为90μm以上时，在从导电性多孔质基材的一个表面进行憎水处理时，在另一个面憎水材料没有渗出，CP2截面的F/C比变为0.01以下，从而将水滴顺畅地排出到系统外，因此排水性提高，能够抑制水淹，因此在低温下的发电性能提高。另外，当导电性多孔质基材、电极基材的厚度为90μm以上时，在使用它作为气体扩散电极基材的情况下，面内方向的气体扩散性提高，气体向在隔板的肋筋下的催化剂的供给也能够更容易地进行，因此不论在高温和低温的哪种情况下发电性能都提高。另外，当导电性多孔质基材、电极基材的厚度为90μm以上时，导电性多孔质基材的机械强度更加提高，在使用它作为气体扩散电极基材的情况下，容易支承电解质膜、催化剂层。在此，导电性多孔质基材、电极基材的厚度，可在以面压力0.15MPa加压了的状态下使用测微计来求得。将对10个部位的各测定值进行平均而得到的值作为导电性多孔质基材或电极基材的厚度。在本专利技术中，按照前述的那样，含有氟原子的导电性多孔质基材为电极基材。因此，例如通过对导电性多孔质基材赋予氟树脂，能够形成作为含有氟原子的导电性多孔质基材的电极基材。在此，氟树脂等的氟原子作为憎水材料发挥作用。再者，导电性多孔质基材是否含有氟原子，也就是说，某个基材是否相当于电极基材，通过后述的CP1截面的F/C比、CP2截面的F/C比、与配置了MPL的那侧相反侧的表面的F/C比之中的至少任一项是否大于0来进行判断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体扩散电极基材，是在电极基材的一个表面配置有微多孔层即MPL的气体扩散电极基材，厚度为110μm以上240μm以下，在将气体扩散电极基材的截面分为具有MPL的部分和不具有MPL的部分，而且将不具有MPL的部分二等分为与MPL接触的部分即CP1截面和不与MPL接触的部分即CP2截面时，CP1截面的F/C比为0.03以上0.10以下，CP2截面的F/C比小于0.03，其中，F表示氟原子的质量，C表示碳原子的质量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.24 JP 2015-0890391.一种气体扩散电极基材，是在电极基材的一个表面配置有微多孔层即MPL的气体扩散电极基材，厚度为110μm以上240μm以下，在将气体扩散电极基材的截面分为具有MPL的部分和不具有MPL的部分，而且将不具有MPL的部分二等分为与MPL接触的部分即CP1截面和不与MPL接触的部分即CP2截面时，CP1截面的F/C比为0.03以上0.10以下，CP2截面的F/C比小于0.03，其中，F表示氟原子的质量，C表示碳原子的质量。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极基材，所述CP2截面的F/C比为0.01以下。3.根据权利要求1所述的气体扩散电极基材，所述气体扩散电极基材的、与配置MPL的...

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