燃料电池用气体扩散层、电极和膜电极接合体及其制造方法技术

提供具有适度的硬度、操作容易、有助于提高燃料电池的生产性的燃料电池用气体扩散层。使导电性碳纤维的布或毡构成的导电性多孔基材含浸含有具有热塑性的第１氟树脂的第１分散液，在第１氟树脂的熔点以上且小于第１氟树脂的分解温度的第１烧成温度下烧成，提高导电性多孔基材的硬度。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用气体扩散层、电极和膜电极接合体及其制造方法
本专利技术涉及高分子电解质型燃料电池的气体扩散层、电极和膜电极接合体的制造方法、以及采用它们得到的气体扩散层、电极和膜电极接合体。
技术介绍
使用了具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质的以往的高分子电解质型燃料电池，通过使含有氢的燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体进行电化学反应而同时发生电和热。图17是表示以往的高分子电解质型燃料电池上搭载的单电池的基本构成的一例的概略截面图。另外，图18是表示图17中示出的单电池100所搭载的膜电极接合体的基本构成的一例的概略截面图。如图18所示，在膜电极接合体101中，在选择性输送氢离子的高分子电解质膜111的两面，形成含有使碳粉末担载电极催化剂(例如铂系的金属催化剂)而得到的催化体、和具有氢离子传导性的高分子电解质的催化层112。现在，作为高分子电解质膜111，一般使用包含全氟碳磺酸的高分子电解质膜(例如美国DuPont公司制的Nafion(商品名)等)。其次，在催化层112外面，使用例如实施了疏水处理的导电性多孔基材碳纸、碳布或碳毡等，形成气体扩散层113。通过组合该催化层112和气体扩散层113，构成电极(燃料极或氧化剂极)114。过去的单电池100用膜电极接合体101、密封垫115、一对隔板116构成。密封垫115为了防止所供给的燃料气体和氧化剂气体向外部泄漏和防止混合，在电极的周围夹持高分子电解质膜而配置。该密封垫115与电极和高分子电解质膜一体化而被预先组装，有时也将组装了它们全部的结构称为膜电极接合体。在膜电极接合体101外侧配置用于机械固定膜电极接合体101的一对隔板116。在隔板116与膜电极接合体101接触的部分形成气体流路117，所述气体流路117向电极供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)，并将电极反应产物、含有未反应的反应气体的气体从反应场-->所运出到电极外部。气体流路117还能与隔板116分开设置，但如图17所示，一般是在隔板表面设置沟而形成气体流路的方式。这样，用一对隔板116固定膜电极接合体101构成一个单电池。通过向一个隔板的气体流路供给燃料气体，向另一个隔板的气体流路供给氧化剂气体，在几十至几百mA/cm2的实用电流密度通电时，一个单电池能够发生0.7-0.8V左右的电动势。通常将高分子电解质型燃料电池作为电源使用时，需要几伏至几百伏的电压。因此，实际上将单电池以需要的个数串联并紧固，作为叠加体(スタツク)使用。此时，为了防止气体泄漏等，对单电池的叠加体施加给定的紧固压力进行紧固。构成上述以往高分子电解质型燃料电池的电极114的气体扩散层113主要有下面的三个功能。第一，为了从气体扩散层113的进一步在外面形成的气体流路117向催化层112中的催化剂均匀地供给作为反应气体的燃料气体或者氧化剂气体，扩散反应气体的功能。第二，将在催化层112中通过反应生成的水迅速排出到气体流路117，抑制水的淤积(溢流)的功能。第三，传导反应所必需的电子和生成的电子的功能。因此，气体扩散层113要求有高的反应气体透过性、水透过性、和电子传导性。对于这样的要求，作为过去的一般技术，气体透过性通过将气体扩散层制成多孔性结构而付与，水透过性通过使氟树脂所代表的疏水性高分子等在气体扩散层中分散而付与。另外，电子传导性通过用碳纤维、金属纤维或碳微粉末等电子传导性材料构成气体扩散层而付与。于是，例如专利文献1所记载，代表性的气体扩散层用氟树脂涂覆作为导电性多孔基材的碳纸，再在上述碳纸的催化层侧的面上形成导电性疏水层。采用氟树脂的涂覆为确保长期的疏水性而进行，导电性疏水层为防止在形成催化层时催化层形成用油墨进入到碳纸中堵塞孔而形成。另外，如专利文献2所记载，以提高特性和低成本化为目的，也有作为气体扩散层中使用的导电性多孔基材使用碳布或碳毡代替碳纸的方法。在该方法中，将导电性多孔基材浸渍在含有表面活性剂的疏水处理液中后，在不能去除该表面活性剂的温度下干燥，实施疏水处-->理，然后在上述的导电性多孔基材上形成导电性疏水层，进行烧成。[专利文献1]特开平2-295065号公报[专利文献2]特开2002-56851号公报在此，在制作叠加体时，为了防止气体泄漏等，对单电池的叠层体施加给定的紧固压力进行紧固。此时，如上所述，使用碳纸作为导电性多孔基材时，该碳纸具有充分的硬度，因此形状变化少，在燃料电池运行时也没有不良情况。可是，碳纸的硬度过高，其单独操作有不良情况。例如，在制造工序中的操作困难，在大量生产和成本降低上存在问题。此外，构成碳纸的碳纤维2维取向，朝向碳纸的面方向，即与隔板116的气体流路117中的反应气体的流动方向相同的方向。因此，还存在下述问题，即，从催化层112到隔板116的气体流路117，在气体扩散层113的厚度方向移动的水的流动不能顺利地进行，易积水，可发生溢流。另外，作为构成气体扩散层113的导电性多孔基材，为了疏水性的最佳化、低成本化、工序合理化和提高生产性，也有时使用碳布或碳毡。可是，在碳布或碳毡中，碳纤维3维配置，存在易发生微小的短路的问题。另外，碳布或碳毡柔软性高，硬度不充分，因此，使用碳布或碳毡制作气体扩散层113的场合，气体扩散层113塌向隔板116的气体流路117，气体流路117中压力损耗的偏差增加，存在易发生溢流的问题。另一方面，存在下述问题，即，在构成气体扩散层113的导电性多孔基材的表面形成导电性疏水层时，导电性疏水层用的油墨渗入导电性多孔基材中，得到的气体扩散层113的气体扩散性受到阻碍。另外认为，导电性疏水层为了提高疏水性，优选在超过导电性疏水层用油墨中所含的疏水剂的熔点的温度下进行热处理，即进行烧成，但作为疏水剂使用高分子量的聚四氟乙烯(PTFE)的场合，在超过PTFE的熔点的温度下烧成时，存在粘合强度、操作性和大量生产性降低，此外，导电性疏水层从电极剥离，易引起溢流的问题。
技术实现思路
本专利技术是鉴于以上问题而完成的，其目的在于，作为构成气体扩散层的导电性多孔基材，找到具有适度的疏水性和硬度的材料，同时-->采用操作性、大量生产性和低成本化优异的方法，提供导电性多孔基材与导电性疏水层的粘合性优异、并且气体透过性、水透过性和电子传导性优异、不易引起微小的短路和溢流的燃料电池用气体扩散层。另外，本专利技术的目的在于，使用上述的燃料电池用气体扩散层，采用操作性、大量生产性和低成本化优异的方法，提供导电性多孔基材与导电性疏水层的粘合性优异、并且气体透过性、水透过性和电子传导性优异、不易引起微小的短路和溢流的燃料电池用电极。此外，本专利技术的目的在于，使用上述的燃料电池用电极，采用操作性、大量生产性和低成本化优异的方法，提供导电性多孔基材与导电性疏水层的粘合性优异、并且气体透过性、水透过性和电子传导性优异、不易引起微小的短路和溢流的燃料电池用膜电极接合体。本专利技术人为达到上述目的而反复刻苦研究，结果发现，作为构成气体扩散层的导电性多孔基材，如果使用富有柔软性的碳布或碳毡，可构成具有适度的疏水性和硬度的气体扩散层，而且还发现，采用操作性、大量生产性和低成本化优异的方法，可以得到导电性多孔基材与导电性疏水层的粘合性优异、并且气体透过性、水透过性和电子传导性优异、不易引起微小的短路和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，具有工序（１），即，使导电性碳纤维的布或毡构成的导电性多孔基材含浸含有具有热塑性的第１氟树脂的第１分散液，在上述第１氟树脂的熔点以上且小于上述第１氟树脂的分解温度的第１烧成温度下烧成，提高上述导电性多孔基材的硬度。

【技术特征摘要】
JP 2003-12-4 406018/031.一种燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，具有工序(1)，即，使导电性碳纤维的布或毡构成的导电性多孔基材含浸含有具有热塑性的第1氟树脂的第1分散液，在上述第1氟树脂的熔点以上且小于上述第1氟树脂的分解温度的第1烧成温度下烧成，提高上述导电性多孔基材的硬度。2.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，在上述工序(1)之后具有工序(2)，即，对含有导电性碳粒子和具有热塑性的第2氟树脂的第2分散液施加剪切力，在上述导电性多孔基材的一个面上涂布，在小于上述第2氟树脂的熔点的第2烧成温度下烧成，形成导电性疏水层。3.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，在上述工序(1)中，上述第1氟树脂是选自四氟乙烯-六氟丙烯共聚物和四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的至少1种。4.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，在上述工序(1)中，使上述导电性多孔基材含浸上述第1分散液，以便上述第1氟树脂的涂布量达到0.5-4mg/cm2。5.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉田昭彦，辻庸一郎，山内将树，堀喜博，内田诚，行天久朗，神原辉寿，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]