燃料电池用气体扩散电极基材制造技术

本发明专利技术的课题是提供耐溢流性、耐干涸性优异，能够在从低温至高温的宽温度范围表现高发电性能，进一步，机械特性、导电性、导热性优异的燃料电池用气体扩散电极基材，其特征在于，是在电极基材的一面配置有微孔层的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用气体扩散电极基材
本专利技术涉及适合用于燃料电池、特别是固体高分子型燃料电池的气体扩散电极基材。更详细地说，涉及耐溢流性、耐干涸性优异，能够在从低温至高温的宽温度范围表现高发电性能，以及机械特性、导电性、导热性优异的气体扩散电极基材。
技术介绍
将包含氢气的燃料气体供给至阳极，将包含氧气的氧化气体供给至阴极，通过在两极发生的电化学反应而获得电动势的固体高分子型燃料电池，一般而言，是将隔板、气体扩散电极基材、催化剂层、电解质膜、催化剂层、气体扩散电极基材、隔板依次叠层而构成的。对于气体扩散电极基材而言，需要用于将由隔板供给的气体扩散至催化剂层的高面内方向的气体扩散性和高的与面垂直的方向的气体扩散性、用于将伴随电化学反应而生成的液体水向隔板排出的高排水性、用于导出所产生的电流的高导电性，广泛使用了包含碳纤维等的电极基材。然而，已知以下问题：(1)在使固体高分子型燃料电池在小于70℃的较低温度并且高电流密度区域运行的情况下，由于大量地生成的液体水而电极基材闭塞，燃料气体的供给不足，结果发电性能降低的问题(以下，记载为溢流)，(2)在80℃以上的较高温度运行的情况下，由于水蒸气扩散而电解质膜干燥，质子传导性降低，结果发电性能降低的问题(以下，记载为干涸)，为了解决这些(1)、(2)的问题而进行了大量的努力。专利文献1中提出了，在167g/m2的高目付电极基材的催化剂层侧形成了包含炭黑和防水性树脂的微孔层的气体扩散电极基材。根据使用了该气体扩散电极基材的燃料电池，由于微孔层形成具有防水性的小的细孔结构，因此液体水向阴极侧的排出被抑制，有抑制溢流的倾向。此外，生成水退回至电解质膜侧(以下，记载为逆扩散)，因此有电解质膜湿润，抑制干涸的倾向。然而，有溢流、干涸的抑制仍然不充分这样的问题。专利文献2中提出了，在44～92g/m2的范围内的较低目付至较高目付的电极基材的催化剂层侧形成了包含炭黑和防水性树脂的微孔层的气体扩散电极基材。根据使用了这些气体扩散电极基材的燃料电池，由于改善了电极基材的气体扩散性、排水性，因此可以期待抑制溢流，但有溢流的抑制仍然不充分，不能抑制干涸这样的问题。专利文献3中提出了，在84g/m2的较高目付的电极基材的催化剂层侧形成了包含炭黑、线型碳和防水性树脂的微孔层的气体扩散电极基材。根据使用了该气体扩散电极基材的燃料电池，由于改善了微孔层的气体扩散性、排水性，因此可以期待抑制溢流，但有溢流的抑制仍然不充分，不能抑制干涸这样的问题。虽然进行了以上那样的大量努力，但仍然未发现作为耐溢流性优异，另外并且耐干涸性优异的气体扩散电极基材可以令人满意的电极基材。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2000-123842号公报专利文献2：日本特开2004-311431号公报专利文献3：日本特开2006-120506号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题本专利技术的目的是鉴于这样的现有技术的背景，提供耐溢流性、耐干涸性优异，能够在低温至高温的宽温度范围表现高发电性能，以及机械特性、导电性、导热性优异的气体扩散电极基材。用于解决课题的方法本专利技术的气体扩散电极基材，为了解决这样的课题，采用如下手段。(1)一种燃料电池用气体扩散电极基材，其特征在于，是在电极基材的一面配置有微孔层的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内。(2)根据上述(1)所述的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层的目付在10～35g/m2的范围内。(3)根据上述(1)或(2)所述的燃料电池用气体扩散电极基材，气体扩散电极基材的厚度在70～190μm的范围内。(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的燃料电池用气体扩散电极基材，与面垂直的方向的透气抵抗在15～190mmAq的范围内。(5)根据上述(1)～(4)的任一项所述的燃料电池用气体扩散电极基材，在气体扩散电极基材所使用的电极基材的一面和其相反侧的面，氟相对于碳的比率不同，在氟相对于碳的比率高的面配置有微孔层。(6)根据上述(1)～(5)的任一项所述的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含炭黑，炭黑相对于纵横比在30～5000的范围内的线型碳的混合质量比在0.5～20的范围内。(7)根据上述(1)～(6)的任一项所述的燃料电池用气体扩散电极基材，在电极基材的与配置有微孔层的面不同的另一面，配置有面积率在5～70％的范围内的微孔部。专利技术的效果根据本专利技术，通过促进气体扩散电极基材中的液体水的排出，可以抑制溢流，进一步通过抑制水蒸气扩散，可以抑制干涸。因此，如果使用本专利技术的气体扩散电极基材，则能够在从低温至高温的宽温度范围表现高发电性能。此外，本专利技术的气体扩散电极基材的机械强度、导电性、导热性也良好。具体实施方式本专利技术的气体扩散电极基材的特征在于，是在电极基材的一面配置有微孔层的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内。另外，在本专利技术中，将仅由碳纸等形成，未设置微孔部的基材称为“电极基材”，将在电极基材上设置有微孔层的基材称为“气体扩散电极基材”。本专利技术人等，对于在较低目付的电极基材的催化剂层侧形成有包含炭黑和防水性树脂的微孔层的气体扩散电极基材中，由于改善电极基材的面内方向的气体扩散性、排水性而期待改善溢流，但是溢流的抑制仍不充分，不能抑制干涸的原因，如下考虑。即，在较低目付的电极基材上形成微孔层时，作为微孔层的前体，通常使用包含炭黑和防水性树脂的碳涂液，但由于使用较低目付的电极基材，因此该碳涂液向电极基材的渗入显著地发生，碳涂液脱离出来直至电极基材的背面(以下，记载为背透)。因此可以认为电极基材内部被碳涂液填埋，不仅电极基材中的面内方向的气体扩散性降低，而且排水性也降低，溢流的抑制变得不充分。此外可以认为，应当形成于电极基材表层的微孔层的厚度变得不充分，生成水的逆扩散变得不充分，电解质膜干燥，不能抑制干涸。此外可以认为，如果为了抑制背透而要使较低目付的状态的电极基材变厚，则气体扩散电极基材的导电性降低。对于该问题进行了深入研究，结果发现通过以下方法可以同时解决这些问题，在从低温至高温的宽范围表现高发电性能。即发现，在低目付的电极基材上形成微孔层时，通过在微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，从而可以适度地抑制作为微孔层的前体的碳涂液向电极基材的渗入，可以改善电极基材部的面内方向的气体扩散性、排水性，因此可以抑制溢流。进一步发现了，在电极基材表层形成具有充分厚度的微孔层，促进生成水的逆扩散，因此可以抑制干涸。虽然需要面内方向的气体扩散性和与面垂直的方向的气体扩散性、排水性等的改善，但可以认为它们必须被平衡良好地改善。因此，着眼于气体扩散电极基材的目付。对该问题进行了深入研究，结果发现，通过以下方法可以同时解决这些问题，在从低温至高温的宽范围表现高发电性能。即发现，在使用较低目付的电极基材，形成微孔层时，通过在微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，进一步，使气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内，从而可以改善面内方向的气体扩散性、与面垂直的方向的气体扩散性、排水性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用气体扩散电极基材，其特征在于，是在电极基材的一面配置有微孔层的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳，气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.24 JP 2012-1849301.一种燃料电池用气体扩散电极基材，其特征在于，是在电极基材的一面配置有微孔层的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层中包含纵横比在30～5000的范围内的线型碳和防水材，气体扩散电极基材的目付在30～60g/m2的范围内。2.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散电极基材，微孔层的目付在10～35g/m2的范围内。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散电极基材，气体扩散电极基材的厚度在70～190μm的范围内。4.根据权利要求1或2所述的燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：宇都宫将道，桥本胜，釜江俊也，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP