[發明專利]氣體擴散電極及其制造方法

有效

• 申請號: 201680074894.6
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN108541350B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 岡野保高;浦井純一;谷村寧昭;宇都宮將道
• 申請（專利權）人: 東麗株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/96;H01M8/10
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 趙雁;李書慧

本發明的目的在于提供一種氣體擴散電極，其在燃料電池中使用時不易發生短路，充分除去在多孔碳電極基材的表面粘結不充分的碳短纖維，具有壓縮時的厚度充分的微多孔層。上述氣體擴散電極的特征在于，在多孔碳電極基材的至少單面具有微多孔層，上述多孔碳電極基材是利用樹脂碳化物粘結碳短纖維而成的，在從最接近一側表面的具有50％填充率的面到最接近另一側表面的具有50％填充率的面的區間，將上述多孔碳電極基材在面垂直方向三等分而得到的層在接近一側表面的層和接近另一側表面的層中層的填充率不同，以0.15MPa加壓時的上述微多孔層的厚度為28～45μm，以2MPa加壓時的上述微多孔層的厚度為25～35μm。

技術領域

燃料電池是將氫與氧反應而生成水時產生的能量以電的形式導出的機構，由于能量效率高、排出物僅為水，所以作為清潔能源其普及備受期待。本發明涉及燃料電池中使用的氣體擴散電極，特別涉及在燃料電池中作為燃料電池車等的電源被使用的高分子電解質型燃料電池中使用的氣體擴散電極。

背景技術

燃料電池、例如固體高分子型燃料電池通過介由氣體擴散層分別將反應氣體(燃料氣體和氧化劑氣體)供給到用一對催化劑層夾有高分子電解質膜的膜電極接合體而引起電化學反應，從而將物質所具有的化學能直接轉換為電能。

燃料電池的氣體擴散層通過對炭紙等多孔碳電極基材進行疏水處理，并且在與催化劑層相接的一側表面設置微孔層而構成，如果多孔碳電極基材的碳纖維的細毛貫通高分子電解質膜，則有可能因短路、或者以貫通的部分為起點的高分子電解質膜的劣化而使燃料電池的性能降低。即使對初期發電的影響特別小，但隨著因燃料電池反復起動、停止所致的膜的反復溶脹、收縮，會使短路或高分子電解質膜的劣化發展、使燃料電池的耐久性降低。

現有技術文獻

專利文獻

在專利文獻1中公開了一種多孔碳電極基材的制造方法，其對多孔碳電極基材的至少一側表面進行吹送氣體的處理，充分除去了基于樹脂碳化物的脫離粘結的碳短纖維。

另外，在專利文獻2中公開了如下方法：在由碳纖維構成的層和疏水層層疊而成的氣體擴散層的疏水層側配置具有多個連通孔的絕緣部件，進一步用一對電極夾持氣體擴散層和絕緣部件，在一對電極的各自的背面配置一對面壓板而夾入，利用一對面壓板對氣體擴散層加壓。在加壓狀態下，對一對電極施加電壓時，在介由絕緣部件的連通孔與疏水層側的電極接觸的碳纖維的突出部分流過電流，利用焦耳熱將突出的碳纖維燃燒除去。

另一方面，在專利文獻3中公開了如下方法：在由碳粘結碳短纖維的多孔碳電極基材的至少一個面配置具有彈性的片材，使用連續的加壓機構以線壓5kN/m～30kN/m加壓后，通過用刷子等清掃的方法、進行抽吸的方法、超聲波清洗等方法連續除去附著于多孔碳電極基材的碳粉。

專利文獻1：日本特開2010-70433號公報

專利文獻2：日本特開2012-33458號公報

專利文獻3：日本特開2012-204142號公報

發明內容

然而，在專利文獻1所記載的方法中存在如下問題：雖然氣體擴散層的表面實現了某種程度的清潔，但在與高分子電解質膜的接合工序等壓縮氣體擴散層時會重新產生碳纖維的突出，它們會扎到高分子電解質膜而產生較大的短路電流。

在專利文獻2所記載的方法中存在如下問題：因為在發熱較大的突出的碳纖維的較細的部分、或放熱較少的突出的碳纖維的長邊方向中央附近容易發生燃燒、切斷，所以在氣體擴散層與切斷部之間突出的碳纖維殘留，或者前端從切斷部突出的碳纖維混入，從而引起高分子電解質膜的短路。

另外，在專利文獻3所記載的方法中還存在如下問題：因為在多孔碳電極基材的至少一側面配置具有彈性的片材，所以加壓所帶來的碳短纖維除去效果會降低。