[发明专利]气体扩散电极和燃料电池

说明书

本发明的目的在于提供兼具耐干涸性和耐溢流性且作为燃料电池的发电性能良好的气体扩散电极。为了实现上述目的，本发明具有以下的构成。即，一种气体扩散电极，是在导电性多孔基材的至少单面具有微多孔层的气体扩散电极，将在厚度方向三等分上述微多孔层的与表面垂直的截面而得到的区域从上述导电性多孔基材侧起依次设为第1区域、第2区域、第3区域时，上述第3区域的氟强度为上述第2区域的氟强度的0.8～1.2倍。

技术领域

本发明涉及气体扩散电极和燃料电池。

背景技术

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取出的机构。由于燃料电池的能量效率高，排出物仅为水，所以作为清洁能源期待其普及。其中，作为用作燃料电池车等的电源的燃料电池，已知有高分子电解质型燃料电池。

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个隔离件夹持而配置在其间。该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。气体扩散电极作为用于形成电极中的气体扩散层的单独部件而通用。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、用于收集在催化剂层产生的电的导电性和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性能和导电性的导电性多孔基材。

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，从机械强度等观点考虑，最优选碳纸。

另外，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。因此，若电负荷变大，即向电池外部导出的电流增大，则产生大量的水(水蒸气)。若该水蒸气在低温下凝结成水滴，堵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。接着，若最终全部的细孔被堵塞，则发电停止(将该现象称为溢流)。

为了尽可能不发生该溢流，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。

另外，若将如上所述的经过疏水处理的导电性多孔基材直接用作气体扩散电极，则其纤维的网眼粗，水蒸气凝结时产生大的水滴，容易引起溢流。因此，有时在实施了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并进行干燥烧结，从而设置被称为微多孔层的层(也称为微孔层)。为了对该微多孔层也赋予疏水性，已知含有氟树脂作为疏水性树脂(专利文献1、2)。作为微多孔层的作用，除上述作用以外，还具有防止催化剂层侵入网眼粗的气体扩散电极基材的作用(专利文献3)。另外，作为其它的微多孔层的作用，具有不使导电性多孔基材的粗糙度转印到电解质膜的补妆(化粧直し)效果。

另一方面，对于燃料电池车用的燃料电池等而言，还要求在高温的运转条件下的发电性能。在高温下，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)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特许第3382213号公报

专利文献2:日本特开2006-4879号公报

专利文献3:日本特许第3773325号公报

发明内容

但是，在上述的专利文献1或3所公开的技术中，微多孔层中的氟强度从表面向导电性多孔基材缓慢增加。因此，在微多孔层表面的疏水性不充分，在催化剂层产生的水滞留在表面。其结果，气体扩散性降低，发电性能降低。

在上述的专利文献2所公开的技术中，微多孔层表面的氟强度过强，疏水性过高。因此，微多孔层的排水性降低，发电性能降低。

如此，难以实现兼具耐溢流性和耐干涸性。另外，在像搭载于燃料电池车这样要求大输出功率的用途中，难以在广泛的温度区域获得高性能。