[發明專利]固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的制造方法及固體高分子型燃料電池的制造方法

有效

• 申請號: 200880003640.0
• 申請日: 2008-01-31
• 公開（公告）號: CN101617424A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 田沼敏弘
• 申請（專利權）人: 旭硝子株式會社;松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 劉多益;胡 燁

技術領域

本發明涉及固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的制造方法及固體高 分子型燃料電池的制造方法。

背景技術

使用氫和氧的燃料電池其反應生成物從理論上講僅為水，作為幾乎對環境 沒有不良影響的發電系統受到關注。其中，近年來使用質子導電性的離子交換 膜(固體高分子電解質膜)作為電解質的固體高分子型燃料電池因工作溫度低、 功率密度高且可實現小型化而有望被用于車載電源等用途。

固體高分子型燃料電池具備在固體高分子電解質膜的兩面配置有電極(陽 極(燃料極)和陰極(空氣極))的膜電極接合體和在表面形成有氣體流路的間隔 物。電極通常由與固體高分子電解質膜相接的催化劑層和被配置在該催化劑層 的外側的氣體擴散層構成。氣體擴散層起到使空氣或燃料擴散至電極內的作用 和將在電極內產生的水排出的作用。

固體高分子型燃料電池一般通過將膜電極接合體夾在2個間隔物之間形 成電池，再將多個電池堆積而制得。

固體高分子型燃料電池如上所述具備工作溫度低(50～120℃)的特征，但 另一方面因此存在廢熱難以有效用于輔機動力等的難點。從彌補這一難點的角 度出發，要求固體高分子型燃料電池具備氫和氧的高利用率，即，要求高能量 轉換效率和高功率密度。

為了實現所述要求，構成固體高分子型燃料電池的要素中膜電極接合體變 得特別重要。

以往，用粘性混合物來制造電極的催化劑層，該粘性混合物是使促進電極 反應的催化劑粉末和用于提高導電性且防止水蒸氣的凝縮而造成的多孔體的 堵塞(水淹(flooding))的離子交換樹脂溶解或分散于乙醇等醇類溶劑而獲得的。

作為膜電極接合體的制造方法，例如有下述(1)～(3)的方法等。

(1)將所述粘性混合物直接涂布于固體高分子電解質膜的表面而形成催化 劑層，或者將所述粘性混合物涂布于另一片狀基材而形成催化劑層，將該催化 劑層轉印或接合于固體高分子電解質膜的表面，藉此形成催化劑層和固體高分 子電解質膜和催化劑層的層疊體，在該層疊體的兩側配置作為氣體擴散層的碳 紙、碳布等多孔性導電性材料的方法。

(2)在所述氣體擴散層上直接涂布所述粘性混合物而形成催化劑層，藉 此形成催化劑層和氣體擴散層的層疊體，將該層疊體分別配置在固體高分 子電解質膜的兩側，使得所述催化劑層和固體高分子電解質膜鄰接的方法。

(3)在基板上涂布所述粘性混合物而形成催化劑層，在該催化劑層上直 接通過熱壓層疊碳紙等而形成電極，再通過熱壓等將該電極接合于固體高 分子電解質膜的兩面的方法(例如，參照專利文獻1)。

專利文獻1：日本專利特開2001-283864號公報

發明的揭示

但是，用所述現有方法獲得的膜電極接合體并不能夠完全滿足電極的 氣體擴散性、導電性、斥水性、耐久性等特性。例如，用所述(1)的方法獲 得的膜電極接合體存在氣體擴散層和催化劑層的密合性不充分等問題。此 外，用所述(2)的方法獲得的膜電極接合體存在形成催化劑層時氣體擴散層 的孔被堵塞、氣體擴散性劣化等問題。用所述(3)的方法獲得的膜電極接合 體存在熱壓時的壓力導致催化劑層和氣體擴散層出現變形、氣體擴散性劣 化等問題。另外，這些方法中用于氣體擴散層的材料的價格都較高，在制 造成本方面也有問題。

以往，使用該膜電極接合體的固體高分子型燃料電池不具備可充分滿 足要求的特性，特別是很難在較廣的電流密度范圍內獲得高輸出電壓。

本發明的目的是提供可在較廣的電流密度范圍內獲得高輸出電壓的固 體高分子型燃料電池用膜電極接合體的制造方法及固體高分子型燃料電池 的制造方法。

本發明是用于解決以上問題的發明，具備以下技術要點。

固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的制造方法，它是用于構成 固體高分子型燃料電池的固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的制造方 法，該膜電極接合體具備陽極、陰極以及含質子傳導性高分子化合物的電 解質膜，該陽極及陰極具有含催化劑和離子交換樹脂的催化劑層，該電解 質膜被配置在所述陽極的催化劑層和所述陰極的催化劑層之間，所述膜電 極接合體配置在表面形成有氣體流路的2塊間隔物間，其最外層的表面分 別與所述間隔物鄰接，

該膜電極接合體的制造方法的特征在于，所述陽極及陰極的至少一方 經過以下3個工序而制得：