[发明专利]用于聚合物电解质燃料电池的膜/电极组件的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于聚合物电解质燃料电池的膜/电极组件的生产方法。

发明背景

多个膜/电极组件通过具有气体通道的导电隔板堆叠在一起构成聚合物电解质燃料电池，其中每个膜/电极组件包括聚合物电解质膜和设置在聚合物电解质膜两侧的电极[阴极(空气电极)和阳极(燃料电极)]。每个电极由接触聚合物电解质膜的催化剂层和设置在催化剂层外侧的多孔气体扩散层构成。气体扩散层的功能是使空气或燃料在电极中扩散，以及排放电极中形成的水。

以下方法是已知的用于生产膜/电极组件的方法。

(1)该方法包括在气体扩散层的表面上施涂含有电极催化剂的涂布液，形成催化剂层，从而得到电极，将两个这样的电极热压，以聚合物电解质膜夹在两个电极之间的状态将这两个电极粘合在一起(专利文献1)。

(2)该方法包括在基材膜上施涂含有催化剂的涂布液，形成第一催化剂层；在第一催化剂层上施涂含有离子交换树脂的涂布液，形成聚合物电解质膜；在聚合物电解质膜上，施涂含有催化剂的涂布液，形成第二催化剂层；在基材膜上形成包含第一催化剂层、聚合物电解质膜和第二催化剂层的叠层，将所述基材膜剥离；将该叠层和两个气体扩散层进行热压，以叠层夹在两个气体扩散层之间的状态将它们粘合在一起。

但是，在使用方法(1)得到膜/电极组件的情况中，两个电极的催化剂层都是通过直接涂布在气体扩散层的表面而形成，因而催化剂层的一部分容易渗透到两个气体扩散层中，堵塞气体扩散层的部分孔洞。因此，气体扩散层的气体扩散性质变差，导致这样的问题：在高电流密度区中，聚合物电解质燃料电池的输出电压往往不够。

在使用方法(2)得到膜/电极组件的情况中，聚合物电解质膜是通过直接涂布在第一催化剂层的表面上而形成，因而离子交换树脂的一部分容易渗透到第一催化剂层中，堵塞第一催化剂层中的许多孔洞。因此，第一催化剂层的气体扩散性质往往变差，导致这样的问题：在高电流密度区中，使用这种膜/电极组件的聚合物电解质燃料电池的输出电压往往不够。

专利文献1：JP-A-04-162365

专利文献2：WO02/005371

发明内容

发明目的

本发明提供一种生产用于聚合物电解质燃料电池的膜/电极组件的方法，可以在宽电流密度范围内获得高输出电压。

本发明生产用于聚合物电解质燃料电池的膜/电极组件的方法是一种生产用于聚合物电解质燃料电池的包括以下部件的膜/电极组件的方法：具有第一催化剂层和第一气体扩散层的第一电极；具有第二催化剂层和第二气体扩散层的第二电极；设置在第一电极和第二电极之间的电解质膜，所述方法包括：

将含有离子交换树脂的涂布液施涂到基材上，然后在100-250℃的温度下退火，形成电解质膜，将含有电极催化剂和离子交换树脂的涂布液施涂到得到的电解质膜的表面上，形成第一催化剂层，从而制得由电解质膜和第一催化剂层构成的第一中间体；

将含有电极催化剂和离子交换树脂的涂布液施涂到第二气体扩散层的表面上，形成第二催化剂层，从而制得由第二气体扩散层和第二催化剂层构成的第二中间体；和

将第一气体扩散层、第一中间体和第二中间体粘合在一起，使得第一催化剂层位于第一气体扩散层和电解质膜之间，而第二催化剂层位于第二气体扩散层和电解质膜之间。

第一气体扩散层、第一中间体和第二中间体的粘合优选通过热压进行。

第一气体扩散层优选包括气体扩散基材和形成在气体扩散基材表面上的第一碳层，所述第一碳层通过施涂含有氟化树脂和纤维直径为50-200纳米、纤维长度为1-50微米的碳纤维的涂布液形成，将第一气体扩散层和第一中间体粘合在一起，使得第一碳层和第一催化剂层相互接触。

第二气体扩散层优选包括气体扩散基材和形成在气体扩散基材表面上的第二碳层，所述第二碳层通过施涂含有氟化树脂和纤维直径为50-200纳米、纤维长度为1-50微米的碳纤维的涂布液形成，在第二气体扩散层的表面上形成第二催化剂层，使得第二碳层和第二催化剂层相互接触。

较佳地，第一中间体包括待剥离的基材，通过施涂含有离子交换树脂的涂布液而形成在待剥离基材表面上的电解质膜，通过施涂含有电极催化剂和离子交换树脂的涂布液而形成在电解质膜表面上的上述第一催化剂层；所述第一气体扩散层和第一中间体粘合在一起，制得叠层；将待剥离的基材从叠层上剥离；然后，将叠层与第二中间体粘合在一起。

附图简要说明

图1是显示用于聚合物电解质燃料电池的膜/电极组件的一个实施方式的截面示意图。