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TW201814945A - 氣體擴散電極及燃料電池 - Google Patents

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TW201814945A
TW201814945A TW106132543A TW106132543A TW201814945A TW 201814945 A TW201814945 A TW 201814945A TW 106132543 A TW106132543 A TW 106132543A TW 106132543 A TW106132543 A TW 106132543A TW 201814945 A TW201814945 A TW 201814945A
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microporous layer
diffusion electrode
conductive porous
porous substrate
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TW106132543A
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重田和代
浦井純一
岡野保高
Original Assignee
日商東麗股份有限公司
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Abstract

一種氣體擴散電極，其為在導電性多孔質基材的至少單面具有微多孔層的氣體擴散電極，其中朝厚度方向貫通前述微多孔層之區域的合計面積率為0.1%以上1%以下，而且前述微多孔層的厚度100%中，朝前述導電性多孔質基材中滲入之前述微多孔層(以下，稱為滲入部分)的厚度的比例(以下，稱為滲入量)為30%以上70%以下。
將氣體擴散電極用於燃料電池時，可獲得排水性高，且發電性能高的燃料電池。

Description

氣體擴散電極及燃料電池
燃料電池是一種將使氫氣與氧氣反應而生成水時所產生的能量以電的形式取出的機構，由於能量效率高且排出物僅為水，而可望成為綠色能源達到普及。本發明係有關於一種用於燃料電池的氣體擴散電極，尤其係有關於一種在燃料電池之中，適於用作燃料電池車等的電源之高分子電解質型燃料電池的氣體擴散電極。
高分子電解質型燃料電池所使用的電極，在高分子電解質型燃料電池中，係由2片隔板包夾地配置於其之間而成，在高分子電解質膜的兩面，具有包含形成於高分子電解質膜的表面的觸媒層、與形成於此觸媒層的外側的氣體擴散層之構造。作為用來形成電極中之氣體擴散層的個別構件，氣體擴散電極廣泛流通。而且，作為此氣體擴散電極所要求的性能，可舉出例如氣體擴散性、供匯集觸媒層所產生的電之導電性、及有效地去除在觸媒層表面產生的水分之排水性等。為獲得此種氣體擴散電極，一般而言，係使用兼備氣體擴散性能及導電性的導電性多孔質基材。
作為導電性多孔質基材，具體而言，係使用 包含碳纖維的碳氈、碳紙及碳布等，其中，基於機械強度等觀點，一般認為最佳為碳紙。
此外，燃料電池由於係一種將氫氣與氧氣反應而生成水時所產生的能量以電的形式取出的系統，因此，若電性負載變大，亦即使取出至電池外部的電流變大的話，則會產生大量的水(水蒸氣)，此水蒸氣在低溫下凝結形成水滴，堵塞氣體擴散電極的細孔，則氣體(氧氣或者氫氣)向觸媒層的供給量會下降，最終所有的細孔被堵塞，便會導致發電中止(茲將此現象稱為溢流(flooding))。
為了盡可能防止此溢流，氣體擴散電極便要求排水性。作為提高此排水性之手段，一般係使用對導電性多孔質基材實施過撥水處理的氣體擴散電極基材來提高撥水性。
又，若將如上述之經撥水處理的導電性多孔質基材直接當作氣體擴散電極使用，由於其纖維的孔徑較粗，水蒸氣一凝結便會產生大顆的水滴，而容易引起溢流。因此，有時會藉由在實施過撥水處理的導電性多孔質基材上，塗布分散有碳黑等的導電性微粒子的塗液並進行乾燥燒結，來設置被稱為微多孔層的層(亦稱微孔層，microporous layer)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
已知有一種由於在微多孔層的表面，裂痕等缺陷較少，而耐久性佳且不易引起溢流的氣體擴散電極( 專利文獻1)。
另一方面，專利文獻2中揭示提供一種藉由刻意地在微多孔層設置微細的裂痕，在捲繞前後微多孔層不會發生構造變化，而能夠捲繞成捲筒狀的氣體擴散電極。
再者，專利文獻3中揭示一種藉由具有多孔質狀連通空隙部的薄膜，以良好的氣體擴散性與表面平滑性為目標，在碳纖維之片狀物中無法獲得之耐彎折且處理性優良的氣體擴散電極。
專利文獻4中記載，其可控制裂痕的形成狀態，並可賦予優良的透氣性或氣體擴散性。
[專利文獻1]日本特開2016-6799號公報
[專利文獻2]日本特開2016-12558號公報
[專利文獻3]日本特開2013-139550號公報
[專利文獻4]日本特開2012-54111號公報
然而，就專利文獻1所記載之氣體擴散電極來說，並未考量到微多孔層滲入導電性多孔質基材中的現象，有時會排水性不足，且燃料電池的發電性能不足。
就專利文獻2所記載之氣體擴散電極來說，其記載裂痕為25~1000個/m2，亦即佔0.001%左右的面積，排水性不足，且其目的在於防止捲繞前後的構造變化而與本發明不同。
再者，專利文獻3之氣體擴散電極係有關於具 有彎曲之連通空隙部的導電性薄膜者，無滲入之概念，排水性不足。
就專利文獻4所記載之氣體擴散電極來說，係以微多孔層實質上不會滲入之方式，對基材塗布含有大量撥水劑的物質，故而導電性或熱傳導性不足。
因此，本發明係以提供一種可提升排水性，且用於高耐久性之燃料電池時可提升發電性能的氣體擴散電極為目的。
本發明之氣體擴散電極為了解決上述課題，而具有以下構成。亦即，其為一種氣體擴散電極，係在導電性多孔質基材的至少單面具有微多孔層的氣體擴散電極，其中，朝厚度方向貫通前述微多孔層之區域的合計面積率為0.1%以上1%以下，而且，前述微多孔層的厚度100%中，朝前述導電性多孔質基材中滲入之前述微多孔層(以下，稱為滲入部分)的厚度的比例(以下，稱為滲入量)為30%以上70%以下。
本發明之氣體擴散電極為了解決上述課題，而具有以下構成。亦即，其為一種燃料電池，係具有上述氣體擴散電極。
本發明之氣體擴散電極，朝厚度方向貫通微多孔層之區域，按氣體擴散電極的面積每1mm2較佳為0.4個以上7.0個以下。
本發明之氣體擴散電極，將滲入部分以外的 微多孔層當作為非滲入部分時，若將非滲入部分中的碳強度設為100，則非滲入部分中的氟強度較佳為5以上20以下。
本發明之氣體擴散電極，前述導電性多孔質基材的密度較佳為0.15g/cm3以上0.5g/cm3以下。
本發明之氣體擴散電極，前述微多孔層的厚度較佳為100μm以下。
本發明之氣體擴散電極，在用於燃料電池時，可獲得氣體擴散性及排水性高，發電性能且耐久性高的燃料電池。
1‧‧‧微多孔層
2‧‧‧碳纖維
10‧‧‧導電性多孔質基材的最外表面
11‧‧‧存在於微多孔層的最外表面的點
12‧‧‧微多孔層的最外表面
13‧‧‧在滲入部分中，導電性多孔質基材向最外表面側滲入最多的點
14‧‧‧微多孔層的最內側面
15‧‧‧在導電性多孔質基材之微多孔層側的最外表面中，最接近微多孔層的最外表面的點
16‧‧‧導電性多孔質基材的最內側面
a‧‧‧導電性多孔質基材的厚度
b‧‧‧滲入部分的厚度
c‧‧‧微多孔層的厚度
圖1為本發明之氣體擴散電極的示意剖面圖。
[實施發明之形態]
本發明係一種氣體擴散電極，其為在導電性多孔質基材的至少單面具有微多孔層的氣體擴散電極，其中，朝厚度方向貫通前述微多孔層之區域的合計面積率為0.1%以上1%以下。
作為本發明之氣體擴散電極中所使用的導電性多孔質基材，具體而言，較佳使用例如碳纖維織物、碳纖維抄紙體、碳纖維不織布、碳氈、碳紙、碳布等包含碳纖維的多孔質基材、發泡燒結金屬、金屬網、膨脹金屬等的金屬多孔質基材。其中，由耐腐蝕性優良而言 ，較佳使用包含碳纖維的碳氈、碳紙、碳布等的多孔質基材；再者，由吸收電解質膜的厚度方向的尺寸變化之特性，即「彈性」優良而言，較佳使用將碳纖維抄紙體以碳化物黏結而得之包含樹脂碳化物的基材，即碳紙。
於本發明中，係在導電性多孔質基材的至少單面具有微多孔層。微多孔層為包含碳黑、碳奈米管、碳奈米纖維、碳纖維之短纖、石墨烯、石墨等的導電性微粒子的層。
就導電性微粒子而言，基於成本低、安全性或製品之品質的穩定性觀點，較佳使用碳黑。以雜質較少且不會使觸媒的活性降低觀點而言，較佳使用乙炔黑。又，作為碳黑的雜質之含量的基準可舉出灰分，惟較佳使用灰分為0.1質量%以下的碳黑。此外，碳黑中的灰分係愈少愈佳，特佳為灰分為0質量%的碳黑，亦即不含灰分的碳黑。
又，由於微多孔層係要求導電性、氣體擴散性、水的排出性、或者保濕性、熱傳導性等特性，甚而在燃料電池內部之陽極側的耐強酸性、在陰極側的耐氧化性，因此，微多孔層除導電性微粒子外，較佳的是亦包含以氟樹脂為主的撥水性樹脂。作為微多孔層所含的氟樹脂，係與使導電性多孔質基材呈撥水性時較佳使用的氟樹脂相同，可舉出PTFE、FEP、PFA、ETFA等。以撥水性特高之觀點而言較佳為PTFE、或者FEP。
本發明之氣體擴散電極在其微多孔層中存在有朝厚度方向貫通微多孔層之區域。朝厚度方向貫通之 區域有呈孔狀的情形、呈裂痕(裂紋、裂縫)狀的情形，或者孔與裂痕混合存在的情形等。就朝厚度方向貫通微多孔層之區域，從導電性多孔質基材側照光時，光會透射至微多孔層側。因此，可根據從導電性多孔質基材側照光時是否由微多孔層側檢測到光，來判斷有無朝微多孔層的厚度方向貫通之區域。
於本發明之氣體擴散電極中，朝厚度方向貫通微多孔層之區域的合計面積率為0.1%以上1%以下。若小於0.1%，孔或裂痕較少，有可能排水性不足。朝厚度方向貫通微多孔層之區域的合計面積率若超過1%，則孔或裂痕較多，在重複發電時，電解質膜會沿著微多孔層的凹凸發生變形、或碳纖維由導電性多孔質基材突出，而於電解質膜產生孔洞或破裂，會有燃料電池的耐久性降低之虞。
於本發明中，茲將在微多孔層中滲入至導電性多孔質基材中的微多孔層以下稱為滲入部分。而且，以下茲將設微多孔層的厚度為100%時之滲入部分的厚度的比例稱為滲入量，於本發明中，滲入量較佳為30%以上70%以下。這是因為，藉由使滲入量為30%以上70%以下，可將朝厚度方向貫通微多孔層之區域的合計面積率控制於0.1%以上1%以下。
此外，要使滲入量為30%以上70%以下，可舉出控制微多孔層100質量%中之撥水性樹脂的含量的方法；就該含量而言，較佳為7%以上20%以下。更佳之含量為9%以上17%以下。使撥水性樹脂的含量為此範圍， 則氣體擴散電極的排水性優良，可防止燃料電池之發電性能的降低，另一方面，貫通微多孔層之區域不會過大，而能夠使燃料電池的耐久性更優良。
滲入部分及滲入量的測定法係於後述。
滲入量若為上述範圍，則不易產生微多孔層中的氣體擴散阻力，可防止燃料電池之發電性能的降低，另一方面，氣體或水更容易在導電性多孔質基材內擴散，可防止燃料電池之發電性能的降低。更佳之滲入量為30%以上55%以下。藉由調成此範圍，可維持低電阻，同時可實現高氣體擴散性、高排水性。
於本發明之氣體擴散電極中，朝厚度方向貫通微多孔層之區域，按氣體擴散電極的面積每1mm2較佳為0.4個以上7.0個以下。透過為0.4個以上7.0個以下，由於氣體擴散電極的排水性充分且均勻，不會引起溢流，而能夠提升燃料電池的發電性能。
此外，將滲入部分以外的微多孔層當作為非滲入部分時，若將非滲入部分中的碳強度設為100，則非滲入部分中的氟強度較佳為5以上20以下。非滲入部分中的氟強度若為上述較佳範圍，則氟量為適量，且排水性優良；另一方面，朝厚度方向貫通微多孔層之區域為適當，可使燃料電池的耐久性更優良。
於本發明中，微多孔層的厚度，若考量現實之導電性多孔質基材的粗糙度，則較佳為100μm以下。微多孔層的厚度若為上述較佳範圍，則氣體擴散電極本身的氣體或水的擴散性(穿透性或排水性)優良，電阻不 易升高。基於提高穿透性或排水性或者降低電阻之觀點，微多孔層的厚度更佳為80μm以下，再更佳為40μm以下，為覆蓋導電性多孔質基材的粗糙度，其下限較佳為15μm以上。
又，導電性多孔質基材的密度較佳為0.15g/cm3以上0.5g/cm3以下。導電性多孔質基材的密度為上述較佳範圍時，導電性多孔質基材的強度充足且耐久性優良，另一方面，排水性或透氣性不易降低。
就氣體擴散電極或導電性多孔質基材的厚度而言，係依以下方法求得：使用Hitachi High-Technologies(股)製IM4000等離子研磨裝置，沿厚度方向切割氣體擴散電極，由以SEM觀察其垂直於表面的剖面(厚度方向的剖面)所得的影像來算出。又，就微多孔層的厚度而言，可由氣體擴散電極的厚度減去導電性多孔質基材的厚度來求得。
又，微多孔層的最大表面粗糙度(Rz)較佳為40μm以上80μm以下。微多孔層的最大表面粗糙度(Rz)若為上述較佳範圍，則在裂痕較少的表面排水性亦為適當；另一方面，由於不會產生粗大的凹凸，電解質膜不易沿著微多孔層的凹凸發生變形，不會產生孔洞或破裂，可使燃料電池的耐久性更優良。
作為在導電性多孔質基材的至少單面形成微多孔層的方法，較佳為藉由網版印刷、滾網印刷、噴射噴霧、凹版印刷、照相凹版印刷、模塗布印刷、棒塗布、刮刀塗布、刀塗布機等塗布微多孔層形成用之塗液( 下稱微多孔層塗液)的方法。基於生產性觀點，微多孔層塗液中之導電性微粒子的濃度較佳為5重量%以上，更佳為10質量%以上。黏度、導電性粒子的分散穩定性、塗液的塗布性等只要為適當則濃度無上限；惟，微多孔層塗液中之導電性微粒子的濃度過大的話，則會損及塗液本身的適性。塗布微多孔層塗液後，一般係於250℃以上400℃以下進行燒結。
於本發明中，基於提高氣體擴散性之觀點，又較佳為減薄碳紙等導電性多孔質基材的厚度。亦即，碳紙等導電性多孔質基材的厚度較佳為220μm以下，更佳為150μm以下，特佳為120μm以下。導電性多孔質基材的厚度若為上述較佳範圍，則機械強度充足，且在製造步驟中容易操作處理。導電性多孔質基材的厚度，一般係以70μm為下限。
本發明之氣體擴散電極所使用的導電性多孔質基材較佳使用藉由賦予氟樹脂而實施撥水處理者。由於氟樹脂係發揮作為撥水性樹脂之作用，因此，本發明之導電性多孔質基材較佳包含氟樹脂等的撥水性樹脂。作為導電性多孔質基材所含的撥水性樹脂，亦即導電性多孔質基材所含的氟樹脂，可舉出PTFE(聚四氟乙烯)(例如“Teflon”(註冊商標))、FEP(四氟乙烯六氟丙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基氟樹脂)、ETFA(乙烯四氟乙烯共聚物)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVF(聚氟乙烯)等，較佳為可展現較強的撥水性之PTFE、或者FEP。
撥水性樹脂的量不特別限定，在導電性多孔 質基材全體100質量%中，適宜為0.1質量%以上20質量%以下左右。撥水性樹脂的量若為上述較佳範圍，可充分發揮撥水性，另一方面，作為氣體之擴散路徑或者排水路徑的細孔不易堵塞，電阻不易上升。
對導電性多孔質基材實施撥水處理的方法，除一般所知之將導電性多孔質基材浸漬於包含撥水性樹脂的分散液之處理技術外，尚可應用藉由模塗布法、噴塗法等對導電性多孔質基材塗布撥水性樹脂之塗布技術。又，亦可應用採氟樹脂之濺鍍等乾式製程之加工。此外，撥水處理後，亦可視需求加入乾燥步驟、甚或燒結步驟。
又，本發明之燃料電池係以具有本發明之氣體擴散電極為特徵。本發明之燃料電池由於具有本發明之氣體擴散電極，而具有發電性能較高之特徵。
[實施例]
以下，根據實施例對本發明具體地加以說明。以下示出實施例中所使用的材料、氣體擴散電極的製作方法、燃料電池的發電性能評定方法。
(實施例1)
<材料>
A.導電性多孔質基材
將TORAY(股)製聚丙烯腈系碳纖維“TORAYCA”(註冊商標)T300(平均直徑：7μm)切成短纖維的平均長度12mm，使其分散於水中並藉由濕式抄紙法連續地進行抄紙。接著，將作為黏結劑之聚乙烯醇的10質量%水溶液 塗布於該抄紙並使其乾燥，製成碳纖維的基重為26g/m2的碳纖維片。相對於100質量份的碳纖維，聚乙烯醇的附著量為18質量份。
其次，使用將作為熱硬化性樹脂之甲階型酚樹脂與酚醛型酚樹脂以不揮發分為1：1之質量比混合而成的酚樹脂、作為碳粉末之鱗片狀石墨粉末(平均粒徑5μm)、與作為溶媒之甲醇，以熱硬化性樹脂(不揮發分)/碳粉末/溶媒=10質量份/5質量份/85質量份的摻混比將此等混合，而得到均勻分散的樹脂組成物(混合液)。
接著，將碳纖維片連續地浸漬於上述樹脂組成物之混合液，經過以輥夾持並擠壓的樹脂含浸步驟後，捲繞成捲筒狀而得到前驅物纖維片。此時，輥為具有能以刮刀去除多餘的樹脂組成物之構造的平滑性金屬輥，藉由隔著一定的間隙水平地配置2根而將碳纖維片垂直地往上提起，來調整全體樹脂組成物的附著量。相對於100質量份的碳纖維，前驅物纖維片中之酚樹脂的附著量為130質量份。
將熱板以彼此平行的方式裝設於壓製成型機，在下熱板上配置間隔件，自上下間歇性地運送以脫模紙夾住的樹脂含浸碳纖維紙，實施壓縮處理。此時，調整上下加壓面板的間隔，俾使其在加壓處理後成為所要的前驅物纖維片厚度。
又，藉由重複加熱加壓、開模、碳纖維的傳送而進行壓縮處理，再捲繞成捲筒狀。測定壓縮步驟中之加壓處理後的前驅物纖維片在0.15MPa下的厚度的結 果為165μm。
將經加壓處理的前驅物纖維片導入至保持於氮氣環境且最高溫度為2400℃的加熱爐，通過使其在加熱爐內連續地行進同時進行鍛燒的碳化步驟後，捲繞成捲筒狀而得到導電性多孔質基材。所得導電性多孔質基材在0.15MPa下的厚度為140μm。
B.微多孔層
使用碳黑、撥水性樹脂(“NEOFLON”(註冊商標)FEP分散液ND-110(FEP樹脂，DAIKIN INDUSTRIES(股)製))、界面活性劑(“TRITON”(註冊商標)X-100(Nacalai Tesque(股)製))、及水。
<評定>
A.滲入量的測定方法
首先，藉由離子研磨裝置(Hitachi High-Technologies(股)製IM4000型)切出垂直於表面的剖面(厚度方向的剖面)，並藉由掃描型電子顯微鏡(SEM，日立製作所(股)製，S-4800)，將影像的倍率設為200倍來進行觀察。
其次，利用圖1來說明求取微多孔層與導電性多孔質基材之邊界的方法。以存在於微多孔層的最外表面的點(11)為起點拉出與導電性多孔質基材的最外表面(10)平行的線，以此線作為微多孔層的最外表面(12)。以微多孔層滲入至導電性多孔質基材中的部分(滲入部分)中，朝導電性多孔質基材的最外表面側滲入最多的點(13)為起點，拉出與導電性多孔質基材的最外表面(10)平行的線，以此線作為微多孔層的最外內面(14)。以在 導電性多孔質基材之微多孔層側的最外表面中，最接近微多孔層的最外表面的點(15)為起點，拉出與導電性多孔質基材的最外表面(10)平行的線，以此線作為導電性多孔質基材的最內側面(16)。
將導電性多孔質基材的最外表面(10)與導電性多孔質基材的最內側面(16)的距離定為導電性多孔質基材的厚度(a)、微多孔層的最內側面(14)與導電性多孔質基材的最內側面(16)的距離定為滲入部分的厚度(b)、及、微多孔層的最外表面(12)與微多孔層的最內側面(14)的距離定為微多孔層的厚度(c)。
又，由滲入部分的厚度(b)/微多孔層的厚度(c)×100之算式求出滲入量。由3處之影像定義3個微多孔層的滲入部分，以3個值的平均值求出滲入量。
B.朝厚度方向貫通微多孔層之區域的合計面積率的測定方法
要求出朝厚度方向貫通微多孔層之區域的面積時，係從氣體擴散電極的微多孔層側在光學顯微鏡下進行觀察，並從導電性多孔質基材側照光，照亮朝厚度方向貫通微多孔層之區域並拍攝影像。其後，載入至影像處理軟體(JTrim)，由貫通亮度水準為240以上之畫素數的累計，亦即貫通白色區域之畫素數的累計之區域除以全體的畫素數，來求出朝厚度方向貫通微多孔層之區域的合計面積率(%)。
C.朝厚度方向貫通氣體擴散電極的面積每1mm2之微多孔層之區域的個數
要求取每單位氣體擴散電極面積之朝厚度方向貫通微多孔層之區域的個數時，係與B同樣地，從氣體擴散電極的微多孔層側在光學顯微鏡下進行觀察，並從導電性多孔質基材側照光，照亮朝厚度方向貫通微多孔層之區域並拍攝影像。其後，以白色區域為朝厚度方向貫通微多孔層之區域，除以視野的面積(單位mm2)，來求出每單位氣體擴散電極之朝厚度方向貫通微多孔層之區域的個數(個)。
D.非滲入部分中之碳強度及氟強度的測定方法
非滲入部分中的碳強度及氟強度係藉由離子研磨裝置沿厚度方向切出平行的剖面，根據元素分布分析來測定。元素分布分析係例如將照射電子束並反射之特性X射線，使用能量分散型X射線分析裝置(EDX)或電子束微分析器(EMPA，島津製作所(股)製，EPMA-1610)來檢測由照射之電子束所反射的特性X射線予以定量化而求出碳及氟的質量%。將碳及氟的質量%定義為各自的強度。再者，作為碳強度及氟強度，在各區域求出朝厚度方向每隔0.3μm進行測定所檢測出的值之平均值。
E.導電性多孔質基材的密度的測定方法
導電性多孔質基材的密度係以電子天秤秤量導電性多孔質基材的質量，並除以A項中所求得之導電性多孔質基材的厚度(a)來求得。
F.透水壓的測定方法
使用Porous Material(股)製之Perm-Porometer(CFP- 1500AEXLC)，對微多孔層上滴下水，自微多孔層側向導電性多孔質基材側施加壓縮空氣，使壓縮空氣的壓力上昇，測定在導電性多孔質基材側空氣開始流動之壓縮空氣的壓力，來測定透水壓(kPa)。
G.厚度方向之氣體擴散性的測定方法
使用西華產業(股)製水蒸氣氣體水蒸氣穿透擴散評定裝置(MVDP-200C)，在氣體擴散電極的其中一面側(1次側)流通欲測定擴散性的氧氣與氮氣的混合氣體，並在另一面側(2次側)流通氮氣。預先將1次側與2次側的壓差控制於0Pa附近(0±3Pa)(亦即幾無因壓力差所引起的氣體流動，僅藉由分子擴散而發生氣體的移動現象)，藉由2次側的氧濃度計，測定達平衡時的氣體濃度，以此值(%)作為厚度方向之氣體擴散性的指標。
H.發電性能的評定方法
藉由將所得氣體擴散電極，以觸媒層與微多孔層相接的方式夾持於電解質膜/觸媒層一體成型品(在Gore Japan(股)製電解質膜“GORE-SELECT”(註冊商標)，於兩面形成有Gore Japan製觸媒層“PRIMEA”(註冊商標)者)的兩側並進行熱壓，而製成膜電極接合體(MEA)。將此膜電極接合體組裝於燃料電池用單元電池片，以取電池溫度40℃、燃料利用效率70%、空氣利用效率40%、陽極側的氫氣、陰極側的空氣其露點分別為75℃、60℃的方式加濕使其發電，以持續提高電流密度並停止發電的電流密度值(極限電流密度)作為耐溢流性的指標。又，在電池溫度90℃下同樣地進行測定，作為耐速乾性的指標 。進而，亦測定一般運作條件(電池溫度70℃)下的發電性能。
(實施例1)
一面使用捲繞式運送裝置運送捲繞成捲筒狀的碳紙，一面予以浸漬於充滿撥水性樹脂分散液的浸漬槽來進行撥水處理，其中該撥水性樹脂分散液係將氟樹脂分散於水中達濃度2質量%而成；以設定成100℃的乾燥機加以乾燥並以收捲機收捲，而得到經撥水處理之導電性多孔質基材。作為撥水性樹脂分散液，係使用將FEP分散液ND-110以水稀釋成FEP為2質量%濃度者。
其次，準備具備捲出機、導輥、背輥、襯紙捲出機、收捲機的運送裝置與具備模塗布機、乾燥機及燒結機的捲繞式連續塗布機。
將作為前述經撥水處理之導電性多孔質基材的碳紙經捲繞成捲筒狀達400m的原料捲裝設於捲出機。
藉由設置於捲出部、收捲部、塗布部的驅動輥來運送原料捲。首先，使用模塗布機塗布微多孔層塗液後，在乾燥機中藉由100℃的熱風將水分乾燥，進而在將溫度設定為350℃的燒結機中進行燒結後，以收捲機加以收捲。
此外，微多孔層塗液係如下調製。
微多孔層塗液：將15質量份的碳黑、9質量份的撥水性樹脂(FEP分散液，“NEOFLON”(註冊商標)ND-110)、15質量份的界面活性劑(“TRITON”(註冊商標)X-100)、61質量份的純水在行 星式混合機中進行混煉，調製成塗液。
於微多孔層塗液的塗布之際，燒結後的微多孔層的基重係調整為16g/m2。
又，將如上述調製之氣體擴散電極，以微多孔層與觸媒層相接的方式熱壓接於兩面設有觸媒層之電解質膜的兩側，組裝於燃料電池的單元電池片，在40℃、70℃、及90℃之各溫度下進行發電性能(極限電流密度)的評定。
將測得之物性示於表1。
(實施例2)
除將15質量份的碳黑、13質量份的撥水性樹脂(FEP分散液，“NEOFLON”(註冊商標)ND-110)、15質量份的界面活性劑(“TRITON”(註冊商標)X-100)、57質量份的純水在行星式混合機中進行混煉，調製成塗液以外，係以與實施例1同樣的方式獲得氣體擴散電極。將測得之物性示於表1。
(實施例3)
除將15質量份的碳黑、17質量份的撥水性樹脂(FEP分散液，“NEOFLON”(註冊商標)ND-110)、15質量份的界面活性劑(“TRITON”(註冊商標)X-100)、53質量份的純水在行星式混合機中進行混煉，調製成塗液以外，係以與實施例1同樣的方式獲得氣體擴散電極。將測得之物性示於表1。
(實施例4)
除導電性多孔質基材的密度採用0.53g/cm3以外，係 以與實施例1同樣的方式獲得氣體擴散電極。將測得之物性示於表1。
(比較例1)
除將15質量份的碳黑、5質量份的撥水性樹脂(FEP分散液，“NEOFLON”(註冊商標)ND-110)、15質量份的界面活性劑(“TRITON”(註冊商標)X-100)、65質量份的純水在行星式混合機中進行混煉，調製成塗液以外，係以與實施例1同樣的方式獲得氣體擴散電極。將測得之物性示於表1。
[產業上之可利用性]
本發明之氣體擴散電極可適用於作為燃料電池的電極。燃料電池之中，尤其適用於作為用作燃料電池車等的電源之高分子電解質型燃料電池的電極。

Claims (6)

  1. 一種氣體擴散電極，其為在導電性多孔質基材的至少單面具有微多孔層的氣體擴散電極，其中，朝厚度方向貫通前述微多孔層之區域的合計面積率為0.1%以上1%以下，而且前述微多孔層的厚度100%中，朝前述導電性多孔質基材中滲入之前述微多孔層(以下，稱為滲入部分)的厚度的比例(以下，稱為滲入量)為30%以上70%以下。
  2. 如請求項1之氣體擴散電極，其中朝厚度方向貫通微多孔層之區域係按氣體擴散電極的面積每1mm 2為0.4個以上7.0個以下。
  3. 如請求項1或請求項2之氣體擴散電極，其中將滲入部分以外的微多孔層當作為非滲入部分時，若將非滲入部分中的碳強度設為100，則非滲入部分中的氟強度為5以上20以下。
  4. 如請求項1至3中任一項之氣體擴散電極，其中前述導電性多孔質基材的密度為0.15g/cm 3以上0.5g/cm 3以下。
  5. 如請求項1至4中任一項之氣體擴散電極，其中前述微多孔層的厚度為100μm以下。
  6. 一種燃料電池，其係具有如請求項1至5中任一項之氣體擴散電極。
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