气体扩散电极制造技术

一种气体扩散电极，其特征在于，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，上述微多孔层至少具有与导电性多孔基材相接的第1微多孔层、和第2微多孔层，气体扩散电极的细孔直径分布至少在10μm～100μm的第1区域、0.2μm以上且小于1.0μm的第2区域和0.050μm以上且小于0.2μm的第3区域具有峰，第2区域中的细孔的容积之和为第1区域中的细孔的容积之和的10％～40％，第3区域中的细孔的容积之和为第2区域中的细孔的容积之和的40％～80％。提供兼具耐干涸性和耐溢流性、作为气体扩散电极的发电性能良好且成本低的气体扩散电极。良好且成本低的气体扩散电极。良好且成本低的气体扩散电极。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散电极
[0001]本申请是申请号为201680075019.X、申请日为2016年12月16日、专利技术名称为“气体扩散电极”的专利技术申请的分案申请。


[0002]燃料电池是将氢与氧反应而生成水时产生的能量以电的形式导出的机构，由于能量效率高、排出物仅为水，所以作为清洁能源其普及备受期待。本专利技术涉及燃料电池中使用的气体扩散电极，特别涉及在燃料电池中作为燃料电池车等的电源所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

[0003]高分子电解质型燃料电池中使用的电极在高分子电解质型燃料电池中被2个隔离件夹住而配置于其间，在高分子电解质膜的两面具有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的结构。作为用于形成电极中的气体扩散层的独立部件，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、收集在催化剂层中产生的电的导电性以及高效地除去在催化剂层表面产生的水分的排水性等。为了得到这样的气体扩散电极，一般使用兼具气体扩散能力和导电性的导电性多孔基材。
[0004]作为导电性多孔基材，具体而言，使用由碳纤维构成的碳毡、碳纸和碳纤维布等，其中从机械强度等方面考虑，最优选碳纸。
[0005]另外，由于燃料电池是将氢与氧反应生成水时产生的能量以电的形式导出的系统，所以如果电负荷增大，即向电池外部导出的电流增大，则产生大量的水(水蒸气)，该水蒸气在低温下凝结成水滴，阻塞气体扩散电极的细孔，则气体(氧或氢)向催化剂层的供给量降低，最终全部细孔被阻塞，停止发电(将该现象称为溢流)。
[0006]为了尽可能不产生该溢流，对气体扩散电极要求排水性。作为提高该排水性的手段，通常，使用对导电性多孔基材实施了疏水处理的气体扩散电极基材来提高疏水性。
[0007]另外，如果将如上所述的经疏水处理的导电性多孔基材直接用作气体扩散电极，则由于其纤维的网眼较粗，所以水蒸气凝结时产生大水滴，容易引起溢流。因此，有时在实施过疏水处理的导电性多孔基材上涂布分散有炭黑等导电性微粒的涂布液进行干燥烧结，由此设置被称为微多孔层的层(也称为微孔层)。作为微多孔层的作用，还有不使导电性多孔基材的粗糙度转印于电解质膜的补妆(化粧直
し
)效果。
[0008]另一方面，在燃料电池车用的燃料电池等中还要求高温时的运行条件下的发电性能。高温时，电解质膜容易干燥，因此电解质膜的离子传导性降低，发电性能降低(将该现象称为干涸)。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]为了对上述微多孔层赋予疏水性以防止溢流，已知含有氟树脂作为疏水性树脂
(专利文献1、2、3)。作为微多孔层的作用，除上述以外，还有防止催化剂层侵入到网眼较粗的气体扩散电极基材中的效果(专利文献4)。
[0012]为了防止上述溢流、干涸，有效的手段是对气体扩散电极中的细孔直径的大小的分布进行控制，该技术被记载于专利文献5中。
[0013]专利文献1：日本专利第3382213号公报
[0014]专利文献2：日本特开2002
‑
352807号公报
[0015]专利文献3：日本特开2000
‑
123842号公报
[0016]专利文献4：日本专利第3773325号公报
[0017]专利文献5：日本专利第4780814号公报

技术实现思路

[0018]但是，在上述的专利文献1～5所公开的技术中，难以实现耐溢流性和耐干涸性的兼得，另外，在搭载于燃料电池车这样的要求大输出功率的用途中，难以在较宽的温度区域中得到高性能。
[0019]此外，在燃料电池或燃料电池车的普及中，以低成本制造高性能的燃料电池是必不可少的，因此对全部的燃料电池部件也要求低成本化，气体扩散电极也不例外。本专利技术克服了这样的现有技术的缺点，提供了一种兼得耐干涸性和耐溢流性、作为气体扩散电极的发电性能良好的低成本的气体扩散电极。
[0020]本专利技术的气体扩散电极用于解决上述的课题，具有以下的(1)或(2)的构成。即，
[0021](1)一种气体扩散电极，其特征在于，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，
[0022]上述微多孔层至少具有与导电性多孔基材相接的第1微多孔层、和第2微多孔层，
[0023]气体扩散电极的细孔直径分布至少在10μm～100μm的第1区域、0.2μm以上且小于1.0μm的第2区域和0.050μm以上且小于0.2μm的第3区域具有峰，
[0024]第2区域中的细孔的容积之和为第1区域中的细孔的容积之和的10％～40％，第3区域中的细孔的容积之和为第2区域中的细孔的容积之和的40％～80％，
[0025]或者，
[0026](2)一种气体扩散电极，其特征在于，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，
[0027]上述微多孔层至少具有与导电性多孔基材相接的第1微多孔层、和第2微多孔层，
[0028]第1微多孔层含有结构指数为3.0以上的炭黑，第2微多孔层含有结构指数小于3.0的炭黑。
[0029]以下，将记为(1)的专利技术称为本专利技术的第1形态，将记为(2)的专利技术称为本专利技术的第2形态。而且将第1形态和第2形态合并而简称为本专利技术。
[0030]本专利技术的第1形态优选上述第1区域中的细孔的容积之和为1.2mL/g～2.0mL/g，上述第2区域中的细孔的容积之和为0.2mL/g～0.4mL/g，上述第3区域中的细孔的容积之和为0.15mL/g～0.30mL/g。
[0031]本专利技术的第1形态优选第1微多孔层和第2微多孔层含有炭黑。
[0032]本专利技术的第1形态优选第1微多孔层中的炭黑的结构指数为3.0以上，第2微多孔层
中的炭黑的结构指数小于3.0。
[0033]本专利技术优选第1微多孔层的厚度为10μm以上且小于50μm、第2微多孔层的厚度为0.1μm以上且小于10μm，微多孔层的合计的厚度大于10μm且为60μm以下。
[0034]本专利技术含有炭黑时，优选上述炭黑的灰分为0.1质量％以下。
[0035]本专利技术优选厚度方向的气体扩散性为30％以上。
[0036]本专利技术优选面内方向的气体扩散性为25cc/分钟以上。
[0037]本专利技术优选导电性多孔基材为碳纸、该碳纸的厚度为220μm以下。
[0038]本专利技术优选第2微多孔层在最表面、第2微多孔层的表面粗糙度为6μm以下。
[0039]通过使用本专利技术的气体扩散电极，能够提供一种气体扩散性高、排水性也良好、且实现了耐溢流性和耐干涸性的兼得而在较宽的温度区域中发电性能高且便宜的燃料电池。
附图说明
[0040]图1是表示本专利技术的气体扩散电极的构成的简图。
[0041]图2是表示本专利技术的气体扩散电极的制造装置优选的形态例的简要配置图。
[0042]图3是表示本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散电极，在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层，所述微多孔层至少具有与导电性多孔基材相接的第1微多孔层、和层叠于所述第1微多孔层的外侧的第2微多孔层，第1微多孔层含有结构指数为3.0以上的炭黑，第2微多孔层含有结构指数小于3.0的炭黑，所述炭黑的结构指数是指将炭黑的DBP吸油量除以BET比表面积而得的值。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中，第1微多孔层的厚度为10μm以上且小于50μm，第2微多孔层的厚度为0.1μm以上且小于10μm，微多孔层的合计的厚度大于10μm且为60μm以下。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极，其中，所述炭黑的灰分为0.1质量％以下。4.根据权利要求1所述的气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：三宅彻，宇都宫将道，谷村宁昭，重田和代，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：