[發明專利]在聚合物電解質燃料電池中制造膜電極組件和增強電解質膜的方法，以及通過該制造方法獲得的膜電極組件和增強電解質膜

有效

• 申請號: 200680047774.3
• 申請日: 2006-12-12
• 公開（公告）號: CN101341622A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 鈴木弘
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 楊曉光;于靜

技術領域

本發明涉及一種在聚合物電解質燃料電池中制造膜電極組件和增強電解質膜的方法，以及通過該制造方法獲得的膜電極組件和增強電解質膜。

背景技術

聚合物電解質燃料電池(PEFC)作為燃料電池的一種形式是已知的。因為此類聚合物電解質燃料電池的工作溫度(大約80℃到100℃)低于其他類型燃料電池的工作溫度，所以能夠降低成本和尺寸。因此，它被期望用作車輛等等的電源。

如圖7所示，聚合物電解質燃料電池包括作為主要組成元件的膜電極組件(MEA)50，它被夾在隔離體51，51之間，其具有燃料氣體(氫氣)通道和空氣通道，從而形成單個的燃料電池52，稱作單電池。所述膜電極組件50具有這樣的結構，在該結構中，在作為離子交換膜的電解質膜55的一側，層疊有陽極側電極催化劑層56a和擴散層57a，并且在電解質膜55的另一側，層疊有陰極側電極催化劑層56b和擴散層57b。

作為電解質樹脂(離子交換樹脂)的全氟磺酸聚合物薄膜(Nafion膜，美國DuPont有限公司)主要用作電解質膜55，并且，例如負載鉑的碳的由電極催化劑和電解質樹脂形成的電極材料主要用作電極催化劑層56a和56b。為了制造膜電極組件(MEA)50，進行下述方法(濕法)，通過該方法，制備電極催化劑和電解質樹脂溶液的混合溶液(催化劑墨水)，然后通過絲網印刷方法或者類似方法將制備的溶液施加到電解質膜55上，然后干燥(例如，參考專利文獻1)。可選地是，進行另一種方法(干法)，通過該方法，通過靜電力或類似方法將完全干燥的電極材料或者粉末狀的電極材料轉移到電解質膜55，然后通過定影輥固定該材料(例如參考專利文獻2)，其中所述粉末狀的電極材料通過干燥上述催化劑墨水以使得除去溶劑等而獲得。

盡管如上所述，有些情況下電解質樹脂薄膜單獨用于電解質膜55，但是因為單獨通過此類電解質樹脂不能獲得足夠的強度，所以也存在這樣的情況，其中以電解質樹脂溶液浸漬多孔增強膜(例如由拉伸PTFE、聚烯烴或類似物形成的薄膜)，以形成增強電解質膜(例如參考專利文獻3)。

專利文獻1：日本專利公開(Kokai)No.9-180728A(1997)

專利文獻1：日本專利公開(Kokai)No.2002-367616A

專利文獻1：日本專利公開(Kokai)No.9-194609A(1997)

發明內容

本發明要解決的問題

對于聚合物電解質燃料電池的這種膜電極組件，為了獲得高的電效率，希望在電解質膜和電極催化劑層之間的界面電阻較小。然而，在常規的濕法或干法中，因為不可能消除自身層間邊界的出現，所以雖然采用不同的方法，但是對于減小界面電阻都存在限制。并且，層疊為多層的電解質膜和電極催化劑層在制造工藝中是主動受壓，使得相互結合。因此，不能完全防止電解質膜受到損害。

并且，在用增強電解質膜作為電解質膜的情況下，雖然在制造膜電極組件的工藝中能夠避免由于增壓或類似操作對電解質膜造成損害，但是因為在制造增強電解質膜的工藝中，為了充分地以電解質溶液浸漬多孔增強膜中，通常會進行增壓，從而無法防止由于這種增壓造成對多孔增強膜的損害。

本發明考慮到上面所描述的情況。本發明的目標是提供一種制造膜電極組件的新穎方法，利用該方法，可以在電解質膜和電極催化劑層之間不存在邊界，或者邊界即使有也是非常微小，基本等同于沒有邊界的狀態下，制造用于聚合物電解質燃料電池的膜電極組件。并且，本發明的另一個目標是提供一種制造新穎的制造膜電極組件的方法，利用該方法，制造膜電極組件不會損害電解質膜。并且，另一個目標是提供利用這種制造方法制造的膜電極組件。因此，能夠獲得具有高的電效率的用于聚合物電解質燃料電池的膜電極組件。

并且，作為一種制造用于聚合物電解質燃料電池的膜電極組件中的增強電解質膜的方法，本發明的另一個目標是提供一種新穎的制造方法，通過該方法能夠制造增強電解質膜而不對多孔增強膜造成損害。并且，另一個目標是提供一種通過該制造方法制造的增強電解質膜。利用這種未被損害的增強電解質膜，能夠獲得具有高的電效率的用于聚合物電解質燃料電池的膜電極組件。

解決這些問題的方法

根據本發明的第一項發明是一種制造聚合物電解質燃料電池中的膜電極組件的方法。該方法至少包括以下步驟：第一步，在電解質膜上施加電解質顆粒和電極催化劑顆粒或者其混合物，使得形成層疊體；以及，第二步，加熱所述層疊體，使得至少熔化所述電解質顆粒，并且通過所述熔化的電解質，將所述電解質膜和包括所述電極催化劑顆粒的電極催化劑層彼此整體地接合。