[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一种气体扩散电极，其能兼得耐干化性和耐水淹性，在宽的温度区域发电性能良好。为了实现上述目的，本发明具有以下的构成：上述气体扩散电极在导电性多孔基材的至少一面具有微多孔层，微多孔层具有与导电性多孔基材相接的第1微多孔层和与该第1微多孔层相接的致密层，致密层的厚度为1μm以上，将配置于导电性多孔基材的至少一面的微多孔层的细孔径0.15μm～1μm的细孔的平均数密度设为A时，致密层的细孔径0.15μm～1μm的细孔的平均数密度B为1.3A以上。

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。燃料电池的能量效率高，排出物只有水，因此作为清洁能源其普及备受期待。其中，尤为是高分子电解质型燃料电池作为燃料电池车等的电源的使用备受期待。

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个隔离件夹着配置在其间。上述电极具有在高分子电解质膜的两面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单个部件，流通的是气体扩散电极。而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、碳纸和碳布等。其中，从机械强度等方面考虑，碳纸被认为是最优选的。

另外，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系统，因此电负荷变大时，即增大向电池外部提取的电流时，产生大量的水(水蒸气)。如果该水蒸气在低温下凝结而成为水滴，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。最终全部的细孔被堵塞时，停止发电(将该现象称为水淹(flooding))。

为了尽可能不产生这种水淹，要求气体扩散电极具有排水性。作为提高这种排水性的手段，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。

另外，将如上所述的经疏水处理的导电性多孔基材直接作为扩散电极使用时，因为其纤维的网眼较粗，水蒸气凝结则生成大的水滴，容易引起水淹。因此，有时通过在实施了疏水处理的导电性多孔基材上涂布分散了炭黑等导电性微粒的涂液而进行干燥烧结，由此设置被称为微多孔层的层(也称为微孔层)。已知为了对该微多孔层也赋予疏水性，含有氟树脂作为疏水剂(例如，专利文献1、2、3)。作为微多孔层的作用，除了上述之外，还有防止催化剂层穿入网眼较粗的气体扩散电极基材(例如专利文献4)以及降低导电性多孔基材的粗糙度的效果。

疏水剂尽量疏水性越高越优选，可优选使用氟树脂。其中特别优选使用得到高疏水性的PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯六氟丙烯共聚物)等。这些氟树脂通常以用表面活性剂分散在水系的分散介质中的分散体的状态出售。从减少环境负荷的意义，也优选水系涂布。

另一方面，也要求高温运转条件下的发电性能。高温下，电解质膜容易干燥。因此电解质膜的离子电导率降低，发电性能降低(将该现象称为干化(dry up))。

对于防止上述水淹、干化而言，控制气体扩散电极中的细孔径的大小的分布是有效的手段。例如专利文献5中记载有这些技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利第3382213号公报

专利文献2:日本特开2002－352807号公报

专利文献3:日本特开2000－123842号公报

专利文献4:日本专利第3773325号公报