[發(fā)明專(zhuān)利]氣體擴(kuò)散電極和燃料電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201680073681.1
• 申請(qǐng)日: 2016-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108370039B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 谷村寧昭;宇都宮將道;若田部道生;釜江俊也
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東麗株式會(huì)社
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 趙雁;李書(shū)慧

本發(fā)明的目的在于提供一種氣體擴(kuò)散電極，其能兼得耐干化性和耐水淹性，在寬的溫度區(qū)域發(fā)電性能良好。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具有以下的構(gòu)成：上述氣體擴(kuò)散電極在導(dǎo)電性多孔基材的至少一面具有微多孔層，微多孔層具有與導(dǎo)電性多孔基材相接的第1微多孔層和與該第1微多孔層相接的致密層，致密層的厚度為1μm以上，將配置于導(dǎo)電性多孔基材的至少一面的微多孔層的細(xì)孔徑0.15μm～1μm的細(xì)孔的平均數(shù)密度設(shè)為A時(shí)，致密層的細(xì)孔徑0.15μm～1μm的細(xì)孔的平均數(shù)密度B為1.3A以上。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體擴(kuò)散電極和燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池是以電的形式提取氫與氧反應(yīng)而生成水時(shí)產(chǎn)生的能量的機(jī)構(gòu)。燃料電池的能量效率高，排出物只有水，因此作為清潔能源其普及備受期待。其中，尤為是高分子電解質(zhì)型燃料電池作為燃料電池車(chē)等的電源的使用備受期待。

高分子電解質(zhì)型燃料電池中使用的電極在高分子電解質(zhì)型燃料電池中被2個(gè)隔離件夾著配置在其間。上述電極具有在高分子電解質(zhì)膜的兩面由形成于高分子電解質(zhì)膜的表面的催化劑層和形成于該催化劑層的外側(cè)的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。作為用于形成電極中的氣體擴(kuò)散層的單個(gè)部件，流通的是氣體擴(kuò)散電極。而作為該氣體擴(kuò)散電極所要求的性能，例如可舉出氣體擴(kuò)散性、用于將催化劑層中產(chǎn)生的電進(jìn)行集電的導(dǎo)電性以及將催化劑層表面產(chǎn)生的水分高效除去的排水性等。為了得到這樣的氣體擴(kuò)散電極，一般使用兼具氣體擴(kuò)散性和導(dǎo)電性的導(dǎo)電性多孔基材。

作為導(dǎo)電性多孔基材，具體而言，使用由碳纖維構(gòu)成的碳?xì)帧⑻技埡吞疾嫉取Ｆ渲校瑥臋C(jī)械強(qiáng)度等方面考慮，碳紙被認(rèn)為是最優(yōu)選的。

另外，燃料電池是以電的形式提取氫與氧反應(yīng)而生成水時(shí)產(chǎn)生的能量的系統(tǒng)，因此電負(fù)荷變大時(shí)，即增大向電池外部提取的電流時(shí)，產(chǎn)生大量的水(水蒸氣)。如果該水蒸氣在低溫下凝結(jié)而成為水滴，堵塞氣體擴(kuò)散電極的細(xì)孔，則氣體(氧或氫)向催化劑層的供給量降低。最終全部的細(xì)孔被堵塞時(shí)，停止發(fā)電(將該現(xiàn)象稱(chēng)為水淹(flooding))。

為了盡可能不產(chǎn)生這種水淹，要求氣體擴(kuò)散電極具有排水性。作為提高這種排水性的手段，通常，使用對(duì)導(dǎo)電性多孔基材實(shí)施了疏水處理的氣體擴(kuò)散電極基材來(lái)提高疏水性。

另外，將如上所述的經(jīng)疏水處理的導(dǎo)電性多孔基材直接作為擴(kuò)散電極使用時(shí)，因?yàn)槠淅w維的網(wǎng)眼較粗，水蒸氣凝結(jié)則生成大的水滴，容易引起水淹。因此，有時(shí)通過(guò)在實(shí)施了疏水處理的導(dǎo)電性多孔基材上涂布分散了炭黑等導(dǎo)電性微粒的涂液而進(jìn)行干燥燒結(jié)，由此設(shè)置被稱(chēng)為微多孔層的層(也稱(chēng)為微孔層)。已知為了對(duì)該微多孔層也賦予疏水性，含有氟樹(shù)脂作為疏水劑(例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2、3)。作為微多孔層的作用，除了上述之外，還有防止催化劑層穿入網(wǎng)眼較粗的氣體擴(kuò)散電極基材(例如專(zhuān)利文獻(xiàn)4)以及降低導(dǎo)電性多孔基材的粗糙度的效果。

疏水劑盡量疏水性越高越優(yōu)選，可優(yōu)選使用氟樹(shù)脂。其中特別優(yōu)選使用得到高疏水性的PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯六氟丙烯共聚物)等。這些氟樹(shù)脂通常以用表面活性劑分散在水系的分散介質(zhì)中的分散體的狀態(tài)出售。從減少環(huán)境負(fù)荷的意義，也優(yōu)選水系涂布。

另一方面，也要求高溫運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的發(fā)電性能。高溫下，電解質(zhì)膜容易干燥。因此電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率降低，發(fā)電性能降低(將該現(xiàn)象稱(chēng)為干化(dry up))。

對(duì)于防止上述水淹、干化而言，控制氣體擴(kuò)散電極中的細(xì)孔徑的大小的分布是有效的手段。例如專(zhuān)利文獻(xiàn)5中記載有這些技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利第3382213號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2002－352807號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)2000－123842號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本專(zhuān)利第3773325號(hào)公報(bào)