[发明专利]电解质膜及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于燃料电池的电解质膜，还涉及到所述电解质膜的制造方法。

背景技术

作为一种燃料电池，聚合物电解质燃料电池(PEFC)已经为人所知。如图8所示的聚合物电解质燃料电池包含膜电极组件(membrane electrodeassembly，MEA)15作为主要部分。膜电极组件15被置于具有燃料(氢)气体通道的一个隔板14和具有空气通道的另一个隔板14之间，从而构成了单个燃料电池20，被称作单电池。膜电极组件15包含电解质膜5，这是一种离子交换膜。在电解质膜5的一侧，层叠有阳极端电极(催化剂层)12a和扩散层13a。在另一侧，层叠有阴极端电极(催化剂层)12b和扩散层13b。

在发电时，将空气提供给阴极端隔板，将燃料(氢)提供给阳极端隔板，于是在阳极发生H₂→2H⁺+2e^-的反应，而在阴极发生1/2O₂+2H⁺+e^-→H₂O的反应。这种化学反应过程希望是均匀的，不管反应发生在电极的什么位置上。然而，在反应进行时由于气体(H₂、O₂)浓度在入口端和出口端是不同的，所以，如果电解质膜的离子传导率在其整个表面上是均匀的，那么电力生成的分布将不可避免地变得不均匀。

离子传导率的大小通常用离子交换基当量(ion-exchange groupequivalent weight，EW值)来表示；EW值高的电解质膜具有低的离子传导率，而EW值低的电解质膜具有高的离子传导率。在聚合物电解质燃料电池中，通常使用EW值小于1500的电解质膜。为了克服上述问题，即，为了使电极表面的电力生成分布尽可能均匀，专利文件1和专利文件2，例如，提出了在气体入口和出口端使用EW值不同的离子交换树脂作为电极或催化剂层。

在专利文件1所描述的聚合物电解质燃料电池中，使用具有不同离子交换能力的两种离子交换树脂来制备分散着催化剂的液体。将所述两种分散着催化剂的液体用于不同的区域以形成这样一个电极表面，使得氧气电极的出口端的离子交换树脂的离子交换能力变得小于气体入口端的离子交换树脂的离子交换能力。即，当形成单电池时，在气体入口端离子交换树脂的EW值要高，而在气体出口端离子交换树脂的EW值要低。专利文件2公布了一种类似的技术，通过这种技术，分别使用由具有不同EW值的离子交换树脂所制备的两种含有催化剂粉末的浆状溶液来形成电极。

专利文件1：日本专利(Kokai)公开No.2001-196067 A

专利文件2：日本专利(Kokai)公开No.2002-164057 A

发明内容

在上述情形中，即在不同区域施加EW值不同的离子交换树脂溶液来形成电极表面的情形中，键合涉及到一种简单的界面键合，它不能提供足够的结合力。EW值不同的离子交换树脂也会遇到膨胀或不同程度的收缩，这是由发电期间的电化学反应或温度变化所引起的。结果是，在发电过程中，在界面结合部分有发生剥落和破裂的趋势。因此，采用上述技术，很难获得具有充分耐用性的燃料电池。

通过将EW值不同的两种或多种离子交换树脂相继排列来制备电解质膜，与用一种离子交换树脂制备的电解质膜相比，可以在电极表面上获得更加均匀的电力生成分布。然而，如上所述，通过排列两种或多种离子交换树脂通过涂敷(铸造)来制造的电解质膜也会遇到在界面结合部分发生剥落和破裂的问题，从而不能提供足够耐用的电解质膜。

考虑到上述问题，本发明的一个目标是，提供一种电解质膜以及该电解质膜的制造方法，其中，所述电解质膜在不同区域具有不同的EW值，使得能够制造高效率燃料电池(膜电极组件)，在这种燃料电池中，电极表面上的电力生成分布实际上是均匀的，所述电解质膜的耐用性与由单一类型的离子交换树脂所构成的电解质膜(即，在所有区域中都具有相同EW值的电解质膜)的耐用性相当。

本发明提供一种电解质膜，它包含两种或多种相继排列的具有不同EW值的离子交换树脂膜。在相邻膜之间形成一个区域，在该区域中所述各个膜的离子交换树脂混合在一起，从而将两个膜结合为一体。