[發明專利]膜電極接合體的制造方法、膜電極接合體、膜電極接合體的制造裝置和燃料電池

有效

• 申請號: 200880013125.0
• 申請日: 2008-04-16
• 公開（公告）號: CN101663784A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 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: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/10;H01M4/86
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 段承恩;田 欣

技術領域

本發明涉及制造無界面地層疊了電解質膜層和電極催化劑層的膜電極 接合體的方法、膜電極接合體、膜電極接合體的制造裝置和使用該膜電極 接合體的固體高分子型燃料電池。

背景技術

固體高分子型燃料電池可期待作為將來的新能源技術的支柱之一。使 用由高分子形成的離子交換膜作為電解質的固體高分子型燃料電池由于能 夠在低溫下工作、可小型輕量化等特征而正被研究在汽車等移動體和民用 便攜設備中應用。特別是裝載有固體高分子型燃料電池的燃料電池汽車作 為終極生態學汽車社會關心正在提高。

在固體高分子型燃料電池中，使用將具有氧化燃料的能力、還原氧化 劑的能力的催化劑分別配置在上述離子交換膜的兩面，并在其外側配置氣 體擴散電極的結構的膜電極接合體(膜電極組件；MEA： Membrane-Electrode-Assembly)。即，其結構為在由選擇性地輸送氫離 子的高分子電解質膜形成的離子交換膜的兩面，形成以擔載有鉑系金屬催 化劑的碳粉末為主要成分的電極催化劑層。其次，在電極催化劑層的外面 形成兼有燃料氣體的通氣性和電子傳導性的氣體擴散層。氣體擴散層一般 使用碳紙或碳布。將上述電極催化劑層和氣體擴散層合稱為電極。

以往，作為形成該膜電極接合體的方法，如特開2000-90944號公報所 記載，將墨狀或膏狀的催化劑混合物利用沉降法、印刷法、噴霧法等方法 涂布在催化劑層形成基體上，形成均勻的催化劑層，然后通過將該催化劑 層與電解質膜加熱壓接，從而將催化劑層與電解質膜接合成一體的轉印法 是主流。這種情況下，使用熱壓機(熱壓力機)或熱壓輥(加熱加壓輥) 將固體高分子電解質膜和預先在擔載有催化劑的基材上形成的催化劑層加 熱加壓從而接合成一體(以下稱為熱壓法)。

例如，在特開平10-64574號公報中，如圖1和圖2所示，使用熱壓輥 (加熱加壓輥)和熱壓機(熱壓力機)的方法均已公開。使用特開平10-64574 號公報所公開的熱壓輥的方法如圖1所示是下述的方法：通過將長尺寸的 固體高分子電解質膜1和配置在其兩側的作為擔載了催化劑層2、3的長尺 寸的擔載有催化劑層的基材的膜4、5一起用一對加熱加壓輥6夾持進行加 熱加壓，從而將固體高分子電解質膜1與催化劑層2、3一體地接合，然后 將擔載有催化劑層2、3的膜4、5使用一對剝離輥7從催化劑層2、3剝離。

另外，特開平10-64574號公報還公開了下述方法：使用熱壓機在固體 高分子電解質膜上轉印形成于擔載有催化劑層的基材上的催化劑層。圖2 是表示將在膜上形成的催化劑層利用熱壓機轉印到電解質層上的方法的模 式圖。如圖2所示，用形成有催化劑層9的膜6夾持電解質膜10，利用熱 壓機11A、11B在溫度80～150℃下施加5～20×10⁶[Pa]的壓力，從而催化 劑層9通過膜6轉印到電解質膜10上。

但是，用熱壓法制造的膜電極接合體存在電解質膜與電極催化劑層不 能充分接合、電解質膜與電極催化劑層的界面的離子電阻升高這樣的缺點。 另外，如果為了獲得良好的接合狀態而提高熱壓時的加熱溫度、壓力，則 存在電解質膜受到損傷而膜的強度、離子交換能力降低這樣的缺點。進而， 如果為了獲得良好的接合狀態而提高熱壓時的壓力，則電極催化劑層發生 壓密化(非多孔化)，存在電極催化劑層內的氣體擴散性變低的缺點。

因此，特開2002-93424號公報公開了一種膜電極接合體的制造方法， 該制造方法的特征在于，在接合工序中，使用預先含有溶劑的質子交換膜 和/或電極催化劑層，在實質上未浸漬于溶劑中的狀態下進行加熱和加壓。

發明內容