[发明专利]气体扩散电极及其制造方法

说明书

本发明的目的在于提供一种气体扩散电极，其在燃料电池中使用时不易发生短路，充分除去在多孔碳电极基材的表面粘结不充分的碳短纤维，具有压缩时的厚度充分的微多孔层。上述气体扩散电极的特征在于，在多孔碳电极基材的至少单面具有微多孔层，上述多孔碳电极基材是利用树脂碳化物粘结碳短纤维而成的，在从最接近一侧表面的具有50％填充率的面到最接近另一侧表面的具有50％填充率的面的区间，将上述多孔碳电极基材在面垂直方向三等分而得到的层在接近一侧表面的层和接近另一侧表面的层中层的填充率不同，以0.15MPa加压时的上述微多孔层的厚度为28～45μm，以2MPa加压时的上述微多孔层的厚度为25～35μm。

技术领域

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导出的机构，由于能量效率高、排出物仅为水，所以作为清洁能源其普及备受期待。本发明涉及燃料电池中使用的气体扩散电极，特别涉及在燃料电池中作为燃料电池车等的电源被使用的高分子电解质型燃料电池中使用的气体扩散电极。

背景技术

燃料电池、例如固体高分子型燃料电池通过介由气体扩散层分别将反应气体(燃料气体和氧化剂气体)供给到用一对催化剂层夹有高分子电解质膜的膜电极接合体而引起电化学反应，从而将物质所具有的化学能直接转换为电能。

燃料电池的气体扩散层通过对炭纸等多孔碳电极基材进行疏水处理，并且在与催化剂层相接的一侧表面设置微孔层而构成，如果多孔碳电极基材的碳纤维的细毛贯通高分子电解质膜，则有可能因短路、或者以贯通的部分为起点的高分子电解质膜的劣化而使燃料电池的性能降低。即使对初期发电的影响特别小，但随着因燃料电池反复起动、停止所致的膜的反复溶胀、收缩，会使短路或高分子电解质膜的劣化发展、使燃料电池的耐久性降低。

现有技术文献

专利文献

在专利文献1中公开了一种多孔碳电极基材的制造方法，其对多孔碳电极基材的至少一侧表面进行吹送气体的处理，充分除去了基于树脂碳化物的脱离粘结的碳短纤维。

另外，在专利文献2中公开了如下方法：在由碳纤维构成的层和疏水层层叠而成的气体扩散层的疏水层侧配置具有多个连通孔的绝缘部件，进一步用一对电极夹持气体扩散层和绝缘部件，在一对电极的各自的背面配置一对面压板而夹入，利用一对面压板对气体扩散层加压。在加压状态下，对一对电极施加电压时，在介由绝缘部件的连通孔与疏水层侧的电极接触的碳纤维的突出部分流过电流，利用焦耳热将突出的碳纤维燃烧除去。

另一方面，在专利文献3中公开了如下方法：在由碳粘结碳短纤维的多孔碳电极基材的至少一个面配置具有弹性的片材，使用连续的加压机构以线压5kN/m～30kN/m加压后，通过用刷子等清扫的方法、进行抽吸的方法、超声波清洗等方法连续除去附着于多孔碳电极基材的碳粉。

专利文献1：日本特开2010-70433号公报

专利文献2：日本特开2012-33458号公报

专利文献3：日本特开2012-204142号公报

发明内容

然而，在专利文献1所记载的方法中存在如下问题：虽然气体扩散层的表面实现了某种程度的清洁，但在与高分子电解质膜的接合工序等压缩气体扩散层时会重新产生碳纤维的突出，它们会扎到高分子电解质膜而产生较大的短路电流。

在专利文献2所记载的方法中存在如下问题：因为在发热较大的突出的碳纤维的较细的部分、或放热较少的突出的碳纤维的长边方向中央附近容易发生燃烧、切断，所以在气体扩散层与切断部之间突出的碳纤维残留，或者前端从切断部突出的碳纤维混入，从而引起高分子电解质膜的短路。

另外，在专利文献3所记载的方法中还存在如下问题：因为在多孔碳电极基材的至少一侧面配置具有弹性的片材，所以加压所带来的碳短纤维除去效果会降低。