[发明专利]微孔层及其制造方法、气体扩散电极基材、燃料电池

说明书

本发明的微孔层可获得生产率高、发电性能和耐久性高的燃料电池。本发明是一种微孔层，其为包含具有5nm以上且10μm以下的纤维直径的长径比为10以上的纤维状碳化物的微孔层，前述碳化物的氧/碳元素比为0.02以上。

技术领域

本发明涉及燃料电池中使用的微孔层，特别涉及适合于燃料电池之中的被用作燃料电池车等的电源的固态高分子型燃料电池的微孔层。

背景技术

固态高分子型燃料电池的能量效率高，排放物只是水，因而人们期待着固态高分子型燃料电池作为清洁能量得到普及。

固态高分子型燃料电池的基本构成是：高分子电解质膜、形成在高分子电解质膜的两面的催化剂层、形成在该催化剂层的外侧的气体扩散电极基材、以及将它们夹入的2个隔膜。

燃料电池是将在氢与氧进行反应而生成水之时生成的能量以电能的形式取出的系统。因此，电负荷变大时，即，向电池外部取出的电流增大时，产生大量的水(水蒸气)。该水蒸气在低温时冷凝而变成水滴，堵塞了气体扩散电极基材的细孔时，气体(氧或氢)向催化剂层的供给量降低。而后，最终全部的细孔被堵塞时，发电停止(将此现象称为水淹(flooding))。

作为气体扩散电极基材，具体使用由碳纤维形成的碳毡(carbon felt)、碳纸(carbon paper)以及碳布(carbon cloth)等导电性多孔质基材，但由于该纤维的网目粗大，因而水蒸气冷凝时产生大的水滴，容易引起水淹。因此，有时在导电性多孔质基材上设置包含导电材料等的导电性微粒的微多孔层(亦称为微孔层)。

关于此微孔层，一般通过对油墨进行干燥及烧结来形成，所述油墨是将导电材料与作为其粘结剂的氟树脂粒子、表面活性剂分散于水中而得到的。此处，由于氟树脂的熔点远远高于上述油墨的干燥温度，因而存在如下情况：在干燥中导电材料显著地移动而凝集，生成被称作裂纹的裂缝，即使通过烧结而使得氟树脂熔融并移动也无法修复。

在微孔层中已形成的裂纹容易成为水蒸气凝集的基点，因此容易发生水淹，性能容易降低。另外，由于电解质膜根据运转条件而发生膨润收缩，因而使得裂纹放大和/或电解质膜损伤，从而导致耐久性降低。特别是，在采用在微孔层上涂布催化剂涂液而形成催化剂层的工艺的情况下，无法均匀地涂布催化剂涂液。

在专利文献1中，公开了使用纤维状碳作为导电材料而形成微孔层的技术。

在专利文献2中，公开了使用高分子量的防水剂而形成微孔层的技术。

在专利文献3中，公开了添加水溶性树脂而形成微孔层的技术。

在专利文献4中，公开了添加热固性树脂而形成微孔层的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-115302号公报

专利文献2：日本特开2012-54111号公报

专利文献3：日本特开2013-164896号公报

专利文献4：日本特开2009-238388号公报

发明内容

发明所要解决的课题

关于专利文献1中记载的技术，与粒子形的导电材料相比，纤维状碳容易相互挂住，因而具有在干燥时和/或烧结时不易产生裂纹的优点，但是存在纤维状碳容易戳穿电解质膜，发生局部短路的情况。另外，使用纤维状碳时，与使用了相同体积的粒子形导电材料的情况相比，存在在微孔层内的细孔直径变大的倾向，在采用在微孔层上涂布催化剂涂液而形成催化剂层的工艺的情况下，无法均匀地涂布催化剂涂液。