[发明专利]用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极组件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极组件、它的制造方法和包含此膜电极组件的固体聚合物电解质燃料电池。

背景技术

氢-氧燃料电池作为对全球环境几乎没有不良影响的发电系统而受到关注，因为在原理上它的反应产物只有水。固体聚合物电解质燃料电池曾经在Geminiproject(双子星座计划)和Biosatellite project(生物卫星计划)中安装在航天飞船上，但那时它们的功率密度低。后来，开发出了更为有效的碱性燃料电池，并在太空包括现有使用的航天飞机的燃料电池应用中占主导地位。

同时，随着近来技术发展，固体聚合物燃料电池由于以下两个原因再次受到关注：(1)用作固体聚合物电解质的高离子导电膜的开展和(2)通过使用碳作为载体和离子交换树脂涂层，能使气体扩散电极中使用的催化剂具有高活性。

对于改进性能，通过增加固体聚合物膜电解质的磺酸基浓度或减少膜厚，可降低固体聚合物膜电解质的电阻。但是，磺酸基密度的剧烈减少会产生诸如膜电解质的机械强度和拉伸强度变差、或处理时尺寸变化、或它们的耐久性变差因而在长期工作时容易蠕变的问题。另一方面，膜越薄则机械强度和拉伸强度越低，因此，当安装到气体扩散电极时很难对它进行加工或处理。

为追求性能上的改进，尝试了更薄的铂含量高的催化剂层。但是，这种包含脆的催化剂相和通常由溶液涂布而成的离子交换树脂基质的薄催化剂层的机械强度(如压缩蠕变性和弹性模量)会不能令人满意，并且耐久性也有问题。

作为上述问题的解决方案，提出了用带磺酸基的氟化离子交换聚合物浸渍的聚四氟乙烯(下文称为PTFE)多孔膜(JP-B-5-75835)。虽然此解决方案提供了薄的膜，但仍有问题，包括多孔PTFE会阻止膜电阻充分下降。此外，当它用作固体聚合物电解质燃料电池的电解质膜时，电池长期工作期间，由于多孔PTFE和离子交换聚合物之间的粘合性差，氢气泄漏会越来越多，结果，产生了电池性能下降的问题。

作为膜的电阻高的问题的解决方案，提出了用原纤维、织造布或无纺布形式的全氟烃聚合物增强的阳离子交换膜(JP-A-6-231779)。该膜的电阻低，并能提供发电特性相对良好的燃料电池，但是因为该膜的最小厚度为100-200微米，还不够薄，而且厚度不均匀，发电特性和大规模生产的适用性仍有问题。此外，由于该膜因全氟烃聚合物和带磺酸基的氟化离子交换聚合物之间的粘合性不够而显示出对氢气的高渗透性，所以使用此膜的燃料电池不能产生足够的电力。

发明内容

本发明的目的是提供各向同性的、厚度小而均匀、电阻低和对氢气的渗透性低、在湿气和热量下有尺寸稳定性、撕裂强度高和处理性好、并能投入大规模生产的用于固体聚合物电解质燃料电池的电解质膜和/或催化剂层的制造方法、以及显示出良好发电特性和耐久性的使用所述电解质膜和/或催化剂的固体聚合物电解质燃料电池。

本发明提供了用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极组件的制造方法，它包括将作为阴极和阳极的具有含催化剂的催化剂层的电极粘合到作为固体聚合物电解质膜的阳离子交换膜的两面上，其中所述的阳离子交换膜是由分散于分散介质的带磺酸基的氟化聚合物作为离子交换聚合物和原纤维状氟烃聚合物的分散液形成的。

本发明还提供了用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极组件的制造方法，它包括将作为阴极和阳极的具有含催化剂的催化剂层的电极粘合到作为固体聚合物电解质膜的阳离子交换膜的两面上，其中所述的阴极和/或阳极的催化剂层是由分散于分散介质的带磺酸基的氟化聚合物作为离子交换聚合物和原纤维状氟烃聚合物的分散液和催化剂的混合物形成的。

本发明还提供了用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极组件，它包括作为固体聚合物电解质膜的阳离子交换膜和粘合到所述阳离子交换膜两面上的作为阴极和阳极的具有含催化剂的催化剂层的电极，其中所述阴极的催化剂层和/或阳极的催化剂层包含作为离子交换聚合物的带磺酸基的氟化聚合物、原纤维状氟烃聚合物和催化剂，所述的固体聚合物电解质燃料电池包括含氧气体和含氢气体分别通入阴极和阳极的膜电极组件。

具体实施方式