气体扩散电极、气体扩散电极的制造方法、膜电极接合体、燃料电池技术

本发明专利技术的目的在于克服现有技术的缺点而提供兼顾耐干化性和耐溢流性、且发电性能良好的低成本的气体扩散电极。本发明专利技术为气体扩散电极，其是在导电性多孔质基材的至少单面具有包含导电性微粒的微多孔层的气体扩散电极，在前述微多孔层的厚度方向的截面中观测到的面积为0.25μm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散电极、气体扩散电极的制造方法、膜电极接合体、燃料电池
本专利技术涉及用于燃料电池的气体扩散电极，特别是涉及能够用于燃料电池中的被用作燃料电池车等的电源的固体高分子型燃料电池的气体扩散电极。
技术介绍
燃料电池是以电的形式提取氢与氧反应而生成水时产生的能量的机构，由于其能效高，排出物只有水，因此作为清洁能源的普及备受期待。固体高分子型燃料电池中使用的电极在固体高分子型燃料电池中被2个隔膜夹持而配置在其间，并且具有在高分子电解质膜的两面包括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电极的结构。而且，作为该气体扩散电极所要求的性能，可列举例如气体扩散性、用于将催化剂层中产生的电进行集电的导电性以及将催化剂层表面产生的水分高效除去的排水性等。为了得到这样的气体扩散电极，一般使用兼具气体扩散性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，使用由碳纤维形成的碳毡、碳纸和碳布等。其中，从机械强度等方面考虑，碳纸被认为是最优选的。然而，已知有以下问题：(1)在使固体高分子型燃料电池在高湿度且高电流密度区域工作的情况下，因大量产生的液态水而导致气体扩散电极堵塞，气体(氧或氢)的供给不足，结果发电性能下降(以下记载为溢流(flooding))；(2)在使固体高分子型燃料电池在80℃以上的较高温度且湿度低的气氛下工作的情况下，因水蒸气扩散而导致电解质膜干燥，质子传导性下降，结果发电性能下降(以下，记载为干化)，为了解决以上(1)、(2)的问题而提出了多种方案。作为其基本的解决方法，采用以下方法：在导电性多孔质基材的表面形成微多孔层，并在该微多孔层内形成空孔，从而提高气体的扩散性和排水性。在专利文献1中，提出以下的气体扩散电极：在含浸有碳多孔体的导电性多孔质基材上涂布混合有生物降解性高分子等会在烧结工序中消失的材料(以下称作“消失材料”)的微多孔层前体并进行烧结，由此在微多孔层内部形成空孔。根据使用该气体扩散电极的燃料电池，能够在微多孔层中形成空孔结构，可期待一定程度的性能提高。在专利文献2中，通过将微多孔层设为多层，使粘合剂量发生变化，并且添加大径磷片状石墨，从而使气体扩散性及/或排水性提高。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2006-294559号公报专利文献2：日本特开2013-20940号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题在专利文献1中，不能控制在微多孔层中形成的空孔的形状，尚不能得到充分的性能、特别是排水性，发电性能的提高也不充分。在专利文献2中，不能在微多孔层中形成有效的细孔结构，与专利文献1的技术同样，无法得到充分的发电性能。即，在上述专利文献1～2所公开的技术中，难以同时实现耐溢流性和耐干化性，另外，在如搭载于燃料电池车那样的要求大输出的用途中，难以遍及宽泛的温度范围来得到高性能。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不可缺少的，因此，对所有燃料电池部件均要求低成本化，气体扩散电极也不例外。本专利技术的目的在于克服这样的现有技术的缺点而提供兼顾耐干化性和耐溢流性、且发电性能高的廉价的气体扩散电极。用于解决课题的手段本专利技术为了解决上述的课题而采用如下的手段。应用一种气体扩散电极，其是在导电性多孔质基材的至少单面具有包含导电性微粒的微多孔层的气体扩散电极，在微多孔层的厚度方向的截面中观测到的面积为0.25μm2以上的细孔中，圆形度为0.5以上的细孔的比率(个数基准)为50％以上且100％以下。专利技术效果通过使用本专利技术的气体扩散电极，从而气体扩散性高、排水性也良好，可实现耐溢流性和耐干化性的兼顾，因此能够提供在宽泛的温度范围均使得发电性能高的廉价的燃料电池。附图说明图1是示出本专利技术的气体扩散电极的构成的概略图图2是示出微多孔层内的细孔径的椭圆近似法和长轴的角度的概略图图3是求出微多孔层内的细孔的二值化方法的阈值的方法的概略图具体实施方式本专利技术的气体扩散电极在导电性多孔质基材的至少单面具有微多孔层。该气体扩散电极层叠在带催化剂层的电解质膜的至少单侧，能够用于形成膜电极接合体的用途。通过将该膜电极接合体用隔膜夹持并层叠，从而能够形成燃料电池。＜气体扩散电极＞在固体高分子型燃料电池中，对气体扩散电极要求下述性能：用于使从隔膜供给的气体向催化剂扩散的高气体扩散性；用于将伴随电化学反应而生成的水向隔膜排出的高排水性；用于提取所产生的电流的高导电性。因此，作为一例，能够使用如图1所示那样的气体扩散电极。气体扩散电极12具有：导电性多孔质基材10，其是具有导电性且由通常在10μm以上且100μm以下的区域具有细孔径的峰的多孔体形成的基材；和微多孔层11，其在10μm以下的区域具有细孔径。此处，导电性多孔质基材的细孔径和微多孔层的细孔径以及它们的分布可以通过基于水银孔隙率仪的细孔径分布测定而求出。＜导电性多孔质基材＞作为导电性多孔质基材，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质基材，发泡烧结金属、金属网、金属板网等金属多孔质基材。其中，从耐腐蚀性优异的方面考虑，优选使用包含碳纤维的碳毡、碳纸、碳布等多孔质基材，进而，从吸收电解质膜的厚度方向的尺寸变化的特性，即从“弹性”优异的方面考虑，优选使用以碳化物粘结碳纤维抄纸体而得的基材即碳纸。本专利技术中，为了提高气体扩散电极的气体扩散性以尽可能提高燃料电池的发电性能，导电性多孔质基材的空隙率优选为80％以上，进一步优选为85％以上。作为空隙率的上限，为了保持导电性多孔质基材的结构，优选为95％以下。另外，也可以通过减薄导电性多孔质基材的厚度来提高气体扩散电极的气体扩散性，因此导电性多孔质基材的厚度优选为220μm以下，进一步优选为160μm以下，进一步优选为130μm以下。另一方面，为了维持机械强度、使制造工序中的操作性变得容易，通常优选70μm以上。为了使用这样的导电性多孔质基材而高效地制造气体扩散电极，优选在将上述导电性多孔质基材卷绕成长条的状态的卷进行解绕并在直至卷取为止的期间连续地形成微多孔层。本专利技术中，导电性多孔质基材优选使用通过赋予氟树脂而实施疏水处理的基材。由于氟树脂作为疏水树脂起作用，因此本专利技术中使用的导电性多孔质基材优选包含氟树脂等疏水性树脂。作为导电性多孔质基材所含的疏水性树脂即导电性多孔质基材所含的氟树脂，可举出PTFE(聚四氟乙烯)(例如“特氟龙”(注册商标))、FEP(四氟乙烯六氟丙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基氟树脂)、ETFA(乙烯四氟乙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PVF(聚氟乙烯)等，优选显示强疏水性的PTFE或者FEP。疏水性树脂的量并无特别限定，在导电性多孔质基材的整体100质量％中合适的是0.1质量％以上、20质量％以下。通过设为0.1质量％以上，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.气体扩散电极，其是在导电性多孔质基材的至少单面具有包含导电性微粒的微多孔层的气体扩散电极，/n在所述微多孔层的厚度方向的截面中观测到的面积为0.25μm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181112 JP 2018-2121761.气体扩散电极，其是在导电性多孔质基材的至少单面具有包含导电性微粒的微多孔层的气体扩散电极，
在所述微多孔层的厚度方向的截面中观测到的面积为0.25μm2以上的细孔中，圆形度为0.5以上的细孔以个数基准计的比率为50％以上且100％以下。


2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中，将对所述面积为0.25μm2以上的细孔进行椭圆近似而得到的椭圆的长轴方向与气体扩散电极的面内方向所成的角度设为θ时，
在所述微多孔层的厚度方向的截面中观测到的面积为0.25μm2以上的细孔中，θ为45°以上且90°以下的细孔以个数基准计的比率为40％以上且100％以下。


3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极，其中，所述面积为0.25μm2以上的细孔且面积小于10μm2的细孔在所述微多孔层中的数密度为0.15个/μm2以上。


4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体扩散电极，其中...

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