[发明专利]气体扩散电极、膜－电极接合体、固体高分子型燃料电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体扩散电极、膜-电极接合体、固体高分子型燃料电池及其制造方法。

背景技术

燃料电池是持续供给燃料和氧化剂、以该物质进行电化学反应时的化学能作为电力输出的发电系统。采用通过该电化学反应的发电方式的燃料电池，利用水电解的逆反应，即氢与氧结合生成电子和水的机制，拥有高效、优良的环境特性，故近年被关注。

燃料电池根据电解质的种类可以分类为磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱型燃料电池及固体高分子型燃料电池。近年，特别关注具有在常温下起动、且起动时间极其短等优点的固体高分子型燃料电池。构成该固体高分子型燃料电池的单格电池(single cell)的基本结构，是在固体高分子电解质膜的两侧接合催化剂层、在催化剂层外侧接合气体扩散电极，还在气体扩散电极外侧设置隔板(separator)的结构。

上述固体高分子型燃料电池，首先，供给于燃料电极侧的氢气通过隔板内的气体流路被引入气体扩散电极。然后，该氢气经气体扩散电极均一地扩散后，被引入燃料电极侧的催化剂层，通过铂等催化剂分解为氢离子和电子。接着，氢离子通过电解质膜被引入夹住电解质膜的相反面氧电极的催化剂层中。另一方面，在燃料电极侧生成的电子，通过具有负电荷的电路，被引入氧电极侧的气体扩散层中，进一步被引入氧电极侧的催化剂层中。与此同时，从氧电极侧的隔板被引入的氧气，通过氧电极侧的气体扩散电极，到达氧电极侧的催化剂层。于是从氧气、电子与氢离子生成水完成发电循环。需要说明的是，作为固体高分子型燃料电池中所用的除氢气之外的燃料，可以举出甲醇及乙醇等醇，可以使用上述化合物作为直接燃料。

迄今为止，作为固体高分子型燃料电池的气体扩散层，使用由碳纤维构成的碳纸或碳布。该碳纸或碳布，为了防止由燃料电池运转时的加湿水或在阴极的电极反应所生成的水引起的液泛(flooding)，通过聚四氟乙烯(PTFE)等疏水性粘合剂在表面或其空隙内部实施疏水处理。但是，由于上述碳纸或碳布的孔穴径非常大，所以存在无法得到充分的疏水效果、水滞留在孔穴中的问题。

为了改善上述问题，提出了使碳纸含有具有由碳等构成的导电性填料的有孔性树脂的气体扩散电极(例如，参见专利文献1)。

但是，上述气体扩散电极由于在碳纸表面上直接涂布构成含有由碳等构成的导电性填料的有孔性树脂的涂料，进行含浸·溶剂萃取·干燥而制作，所以填塞了碳纸的空隙，因此，存在空隙内部的气体透过性变差，电池性能下降之类问题。

另外，提出了在不锈钢网状织物上涂布炭黑与PTFE的混合物形成疏水层(例如，参见专利文献2)。

但是，涂布上述混合物形成的气体扩散电极，填塞了不锈钢网状织物的空隙，因此，存在空隙内部的气体透过性变差，电池性能下降之类问题。而且，还存在下述问题：制造燃料电池时，为了使气体扩散电极密接于电解质，或使用粘结剂使其粘结，在对气体扩散电极施加压力的过程中，气体扩散电极的多孔质膜的空隙被破坏，阻碍气体·水的排出。

另外，提出了作为混合粒径分布中心不同的至少2种碳粒子的气体扩散层，粒径大的一方的碳粒子使用石墨，粒径小的一方的碳粒子使用经氟树脂被覆赋予疏水性的碳粒子(例如，参见专利文献3)。

但是，该方法形成的扩散层存在强度低、疏水性不充分之类问题。

[专利文献1]特开2003-303595号公报

[专利文献2]特开2000-058072号公报

[专利文献3]特开2001-057215号公报

发明内容

本发明目的是改善上述问题。即，本发明的目的之一是提供一种气体扩散电极，所述气体扩散电极通过多孔质膜保持良好的气体扩散性，由此能保持良好的电池特性。本发明的其他目的是提供使用上述气体扩散电极的膜-电极接合体及其简便的制造方法。本发明的另一其他目的是提供使用上述气体扩散电极、电池性能优良的固体高分子型燃料电池。

本发明的第2目的在于提供保持良好的气体透过性的同时保持机械强度、由此能保持良好电池特性的气体扩散电极、膜-电极接合体、固体高分子型燃料电池及其制造方法。

本发明可以通过下述技术内容，解决所述问题。

(1)一种气体扩散电极，所述气体扩散电极至少具有分散了碳材料的氟树脂膜，其特征在于，上述氟树脂膜具有多个空隙。

(2)如上述1所述的气体扩散电极，其中，上述氟树脂膜为通过涂布将至少含有纤维状碳材料的碳材料分散在氟树脂溶液中得到的涂布液而形成的多孔质氟树脂膜。