气体扩散电极及其制造方法以及膜电极接合体技术

本发明专利技术的课题在于提供制作膜电极接合体时外缘部的绒毛对电解质膜等的损伤小的气体扩散电极。本发明专利技术为具有包含碳纤维的导电性多孔质基材和形成于上述导电性多孔质基材的表面的微多孔层的气体扩散电极，该气体扩散电极满足下述(1)及(2)中的至少一者。(1)在俯视时，从端部起突出20μm以上的碳纤维的数量相对于端部的长度而言为少于1.0根/cm。(2)在端部的侧视时，相对于气体扩散电极的面内方向而言倾斜30

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散电极及其制造方法以及膜电极接合体


[0001]本专利技术涉及燃料电池、特别是主要针对车载用途而开发的固体高分子型燃料电池中使用的气体扩散电极。

技术介绍

[0002]燃料电池是以电的形式获取在氢和氧反应生成水时产生的能量的装置，由于能量效率高，排出物只有水，因此被期待着作为清洁能源。
[0003]对于固体高分子型燃料电池中使用的电极而言，在高分子电解质膜的两面具有下述结构，其包括形成于高分子电解质膜表面的催化剂层、和形成于该催化剂层的外侧的气体扩散层。作为用于形成电极中的气体扩散层的独立部件，气体扩散电极广泛通用。该气体扩散电极通常使用在导电性多孔质基材上形成被称为微多孔层(Micro Porous Layer：MPL)的致密层而成的材料。作为气体扩散电极的导电性多孔质基材，从化学稳定性方面考虑，通常使用包含碳纤维的基材。
[0004]燃料电池的一个电池单元形成为下述结构：电解质膜的两侧配置催化剂层、进一步在两外侧配置气体扩散电极，从两侧进行压制而形成被称为膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly：MEA)的部件，进而将该MEA介由具有气体流路的隔膜进行层叠。所述压制时，压力集中于气体扩散电极的外缘部，构成导电性多孔质基材的碳纤维刺入催化剂层或电解质膜，存在造成损伤的可能性。为了避免该情况，如专利文献1等所示，已知有在气体扩散电极的外缘部配置保护膜的技术。
[0005]进而，为了避免如专利文献1中记载的保护膜搭载于气体扩散层而引起阶差的产生，专利文献2提出了如下技术：通过预先对气体扩散电极的外缘部进行压制或者仅在气体扩散电极的外缘部不设置微多孔层来预先形成阶差，以便在形成MEA时抵消保护膜的厚度。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1：日本专利第3368907号公报
[0009]专利文献2：日本特开2005
‑
149803号公报

技术实现思路

[0010]专利技术要解决的课题
[0011]然而，若对气体扩散电极的外缘部进行局部压制，则导电性多孔质基材中的碳纤维可能损害电解质膜。另外，气体扩散电极的外缘部不设置微多孔层的情况下，可能存在以下情况：根据与保护膜的接触状态，气体仅通过基材而不通过微多孔层，从而成为漏气、水蒸气局部凝缩的一个原因。如此，专利文献2记载的技术能够避免由保护膜搭载于气体扩散层而引起的不良影响，但另一方面，却引入新的发电性能降低的主要原因。
[0012]本专利技术的课题在于提供制作MEA时对外缘部的电解质膜等的损伤少的气体扩散电极。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]本专利技术为具有包含碳纤维的导电性多孔质基材和在上述导电性多孔质基材的至少单面上的微多孔层的气体扩散电极，该气体扩散电极满足下述(1)及(2)中的至少一者。
[0015](1)在俯视时，从端部起突出20μm以上的碳纤维的数量相对于端部的长度而言为少于1.0根/cm。
[0016](2)在端部的侧视时，相对于气体扩散电极的面内方向而言倾斜30
°
以上且长度为10μm以上的碳纤维为少于1.0根/cm。
[0017]另外，本专利技术为制造本专利技术的气体扩散电极的方法，其特征在于，包括使用激光加工的切断工序。
[0018]专利技术的效果
[0019]本专利技术的气体扩散电极在边缘部分不存在绒毛，或者即使存在也非常少量，因此绒毛对电解质膜造成损害的可能性低，并且不存在由在边缘部分应用保护膜所带来的弊端，通过用作燃料电池的气体扩散层能够获得耐久性高的燃料电池。
附图说明
[0020][图1]图1是经剪切(shear cut)的气体扩散电极的包含端部的平面的激光显微镜照片。
[0021][图2]图2是经剪切的气体扩散电极的端部的截面的激光显微镜照片。
[0022][图3]图3是经激光切割的本专利技术的气体扩散电极的包含端部的平面的激光显微镜照片。
[0023][图4]图4是经激光切割的本专利技术的气体扩散电极的端部的截面的激光显微镜照片。
[0024][图5]图5是经汤姆森切割机(Thomson cutter)切割的以往的气体扩散电极的包含端部的平面激光显微镜照片。
[0025][图6]图6是经汤姆森切割机切割的以往的气体扩散电极的端部的截面的激光显微镜照片。
[0026][图7]图7是表示气体扩散电极的端部的直线性评价方法的说明图。
[0027][图8]图8是表示气体扩散电极端部的微多孔层缺损的评价方法的说明图。
具体实施方式
[0028]本专利技术的气体扩散电极具有导电性多孔质基材。在本专利技术中，导电性多孔质基材(以下，有时简称为“基材”)包含碳纤维。作为本专利技术中的、包含碳纤维的导电性多孔质基材的具体的形态，可举出碳纤维机织物、碳纤维抄纸体、碳纤维无纺布、碳毡、碳纸(是指用树脂碳化物将碳纤维抄纸体粘合而成的片材)、碳布等。其中，由于耐腐蚀性优异而优选碳毡、碳纸、碳布，进而由于对电解质膜的厚度方向的尺寸变化进行吸收的特性、即“弹性”优异而更优选碳纸。
[0029]导电性多孔质基材优选在10μm以上且100μm以下的区域中具有细孔径的分布的峰值。由此，本专利技术的气体扩散电极能够获得在固体高分子型燃料电池中用于将从隔膜供给的气体向催化剂扩散的高气体扩散性、及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。
[0030]细孔径与其分布可通过利用水银孔隙率计的细孔径分布测定来求得。导电性多孔质基材的细孔径可以仅测定导电性多孔质基材，也可以测定形成微多孔层后的气体扩散电极。测定气体扩散电极时，通过气体扩散电极的与表面垂直的截面(以下，与表面垂直表示厚度方向，与表面垂直的截面表示与厚度方向平行的截面。)的扫描型电子显微镜(SEM)观察来确认各层结构，通过SEM图像而简要地求出细孔部分的直径。接着，使由水银孔隙率计得到的各层的细孔直径的峰值与由上述SEM图像得到的简要值的映射来决定各层的细孔径。
[0031]为了提高气体扩散电极的气体扩散性，导电性多孔质基材的孔隙率优选为80％以上，更优选为85％以上。孔隙率的上限为导电性多孔质基材能够保持其结构的极限，即95％。导电性多孔质基材的孔隙率如下测定。首先，通过离子铣削装置(可使用Hitachi High
‑
Technologies公司制，IM4000型及其等同品)切出厚度方向的与表面垂直的截面，利用扫描型电子显微镜(SEM)观察。然后，对与截面相接的孔隙部和非孔隙部进行二值化，将孔隙部的面积相对于整体面积而言的面积比例(百分率)作为孔隙率(％)。需要说明的是，导电性多孔基材的孔隙率可以直接使用形成微多孔层前的导电性多孔质基材进行测定，也可以使用形成微多孔层后的气体扩散电极进行测定。
[0032]另外，通过使导电性多孔质基材的厚度变薄，也能够提高气体扩散电极的气体扩散性，因此导电性多孔质基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.气体扩散电极，其为具有包含碳纤维的导电性多孔质基材和在所述导电性多孔质基材的至少单面上的微多孔层的气体扩散电极，所述气体扩散电极满足下述(1)及(2)中的至少一者：(1)在俯视时，从端部起突出20μm以上的碳纤维的数量相对于端部的长度而言为少于1.0根/cm；(2)在端部的侧视时，相对于所述气体扩散电极的面内方向而言倾斜30
°
以上且长度为10μm以上的碳纤维相对于端部的长度而言为少于1.0根/cm。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中，端部的直线性指数为10μm以下。3.根据权利要求2所述的气体扩散电极，其中，端部的直线性指数为7μm以下。4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体扩散电极，其中，端部的微多孔层缺损指数为20μm以下。5.根据权利要求4所述的气体扩散电极，其中，端部的微多孔层缺损指数为5μm以下。6.根据权利要求1～5中任一项所述的气体扩散电极，其中，所述导电性多孔质基材为碳纸。7.根据权利要求1～6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：三宅彻，蓑毛路子，加藤颂，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：