[发明专利]燃料电池的膜-电解质组件的制造方法和膜-电解质组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别是聚合物电解质燃料电池中所用的膜-电解质组件的制造方法，膜-电解质组件以及使用膜-电解质组件的电池。

发明背景

作为燃料电池的例子，已知聚合物电解质燃料电池，它包括膜-电解质组件(MEA)作为主要的构成单元。膜-电解质组件由一侧堆叠有空气-电极催化剂层且另一侧堆叠有燃料-电极催化剂层的电解质膜组成。该组件夹在具有气体通道的隔离体之间，从而形成称作“单电池”的单个燃料电池。

通常，电解质膜采用Nafion(注册商标)膜。空气-电极催化剂层和燃料-电极催化剂层通常通过直接涂布法或转移方法形成。直接涂布法包括：制备负载催化组分如铂的碳载体、是导电物质的电解质溶液和溶剂的混合物(催化剂层墨)，接着将该混合物施加到电解质膜上并将其干燥。转移方法包括：将利用催化剂层墨单独形成的空气-电极催化剂层和燃料-电极催化剂层热压结合到电解质膜上。

在通过直接涂布法或转移方法制造膜-电解质组件时，存在电解质层与催化剂层之间结合不充分的问题，这在发电过程中造成界面脱离并导致发电效率下降。在转移方法的情况下，存在在转移过程中压力可能损坏电解质层的问题。此外，在转移方法中，电解质层和催化剂层需要单独制备，而在直接涂布法中电解质层需要单独制备。这需要多个制造步骤并造成产率下降。

为解决前述问题，专利文献1提出了一种包括溶液三层涂布法的膜- 电解质组件的制造方法。在该方法中，通过按下面顺序施加并干燥用于各层的墨(催化剂层墨和电解质层墨)来制造膜-电解质组件：第一催化剂层，它是空气电极和燃料电极之一；电解质层；和第二催化剂层，它是空气电极和燃料电极的另一个。在该制造方法中，由于催化剂层与电解质溶液(电解质层墨)接触，所以催化剂层内的电解质部分溶解而有助于它与电解质层的结合。结果，电解质层和催化剂层在它们的界面处强烈结合，由此可以减小发电过程中的电池电阻并可以提高发电效率。此外，该方法提供了比直接涂布法或转移方法高的产率。

在膜-电解质组件中，为使电极反应在催化剂层中高效率进行，期望改善催化剂层中的气体扩散性和排放。为此，已经在催化剂层墨中加入适当的成孔剂以确保催化剂层中具有所需的孔，如专利文献2中所公开。

专利文献1：日本专利公开(Kokai)No.2005-294123A

专利文献2：日本专利公开(Kokai)No.2003-151564A

发明内容

本发明要解决的问题

专利文献1所描述的用于制造膜-电解质组件的溶液三层涂布方法高度有效。但是，当作为底层的第一催化剂层涂有电解质溶液(电解质墨)时，电解质溶液可能渗进第一催化剂层中所形成的孔内，由此堵塞某些孔。一旦发生这种现象，发电过程中气体扩散和排出会被部分抑制。因此，克服这种渗漏现象是可以制得高发电效率的膜-电解质组件之前所要解决的问题之一。

考虑到前面内容，因此本发明的目的是提供一种利用溶液三层涂布方法制造膜-电解质组件的方法，由此可以防止电解质溶液渗进催化剂层中的孔内，并可以提供高发电效率的膜-电解质组件。本发明的另一目的是提供通过这种制造方法制得的膜-电解质组件。本发明的又一目的是提供使用这种膜-电解质组件的燃料电池。

所述问题的解决方案

本发明提供了一种膜-电解质组件的制造方法，所述方法通过依次施加用于第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层的墨并干燥第一催化剂层、电解质层和第二催化剂层来进行，其中在比第一催化剂层的干燥处理温度高的温度下，对电解质层进行干燥处理；该方法包括如下步骤：向用于第一催化剂层的墨中加入作为成孔剂的物质，所述物质在第一催化剂层的干燥处理温度下保持，并且在电解质膜的干燥处理温度下溶解或升华并消失；施加用于第一催化剂层的墨；对如此施加的第一催化剂层进行干燥处理；施加用于电解质层的墨；对施加的电解质层进行干燥处理；施加用于第二催化剂层的墨；以及对施加的第二催化剂层进行干燥处理。