[发明专利]在聚合物电解质燃料电池中制造膜电极组件和增强电解质膜的方法，以及通过该制造方法获得的膜电极组件和增强电解质膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种在聚合物电解质燃料电池中制造膜电极组件和增强电解质膜的方法，以及通过该制造方法获得的膜电极组件和增强电解质膜。

背景技术

聚合物电解质燃料电池(PEFC)作为燃料电池的一种形式是已知的。因为此类聚合物电解质燃料电池的工作温度(大约80℃到100℃)低于其他类型燃料电池的工作温度，所以能够降低成本和尺寸。因此，它被期望用作车辆等等的电源。

如图7所示，聚合物电解质燃料电池包括作为主要组成元件的膜电极组件(MEA)50，它被夹在隔离体51，51之间，其具有燃料气体(氢气)通道和空气通道，从而形成单个的燃料电池52，称作单电池。所述膜电极组件50具有这样的结构，在该结构中，在作为离子交换膜的电解质膜55的一侧，层叠有阳极侧电极催化剂层56a和扩散层57a，并且在电解质膜55的另一侧，层叠有阴极侧电极催化剂层56b和扩散层57b。

作为电解质树脂(离子交换树脂)的全氟磺酸聚合物薄膜(Nafion膜，美国DuPont有限公司)主要用作电解质膜55，并且，例如负载铂的碳的由电极催化剂和电解质树脂形成的电极材料主要用作电极催化剂层56a和56b。为了制造膜电极组件(MEA)50，进行下述方法(湿法)，通过该方法，制备电极催化剂和电解质树脂溶液的混合溶液(催化剂墨水)，然后通过丝网印刷方法或者类似方法将制备的溶液施加到电解质膜55上，然后干燥(例如，参考专利文献1)。可选地是，进行另一种方法(干法)，通过该方法，通过静电力或类似方法将完全干燥的电极材料或者粉末状的电极材料转移到电解质膜55，然后通过定影辊固定该材料(例如参考专利文献2)，其中所述粉末状的电极材料通过干燥上述催化剂墨水以使得除去溶剂等而获得。

尽管如上所述，有些情况下电解质树脂薄膜单独用于电解质膜55，但是因为单独通过此类电解质树脂不能获得足够的强度，所以也存在这样的情况，其中以电解质树脂溶液浸渍多孔增强膜(例如由拉伸PTFE、聚烯烃或类似物形成的薄膜)，以形成增强电解质膜(例如参考专利文献3)。

专利文献1：日本专利公开(Kokai)No.9-180728A(1997)

专利文献1：日本专利公开(Kokai)No.2002-367616A

专利文献1：日本专利公开(Kokai)No.9-194609A(1997)

发明内容

本发明要解决的问题

对于聚合物电解质燃料电池的这种膜电极组件，为了获得高的电效率，希望在电解质膜和电极催化剂层之间的界面电阻较小。然而，在常规的湿法或干法中，因为不可能消除自身层间边界的出现，所以虽然采用不同的方法，但是对于减小界面电阻都存在限制。并且，层叠为多层的电解质膜和电极催化剂层在制造工艺中是主动受压，使得相互结合。因此，不能完全防止电解质膜受到损害。

并且，在用增强电解质膜作为电解质膜的情况下，虽然在制造膜电极组件的工艺中能够避免由于增压或类似操作对电解质膜造成损害，但是因为在制造增强电解质膜的工艺中，为了充分地以电解质溶液浸渍多孔增强膜中，通常会进行增压，从而无法防止由于这种增压造成对多孔增强膜的损害。

本发明考虑到上面所描述的情况。本发明的目标是提供一种制造膜电极组件的新颖方法，利用该方法，可以在电解质膜和电极催化剂层之间不存在边界，或者边界即使有也是非常微小，基本等同于没有边界的状态下，制造用于聚合物电解质燃料电池的膜电极组件。并且，本发明的另一个目标是提供一种制造新颖的制造膜电极组件的方法，利用该方法，制造膜电极组件不会损害电解质膜。并且，另一个目标是提供利用这种制造方法制造的膜电极组件。因此，能够获得具有高的电效率的用于聚合物电解质燃料电池的膜电极组件。

并且，作为一种制造用于聚合物电解质燃料电池的膜电极组件中的增强电解质膜的方法，本发明的另一个目标是提供一种新颖的制造方法，通过该方法能够制造增强电解质膜而不对多孔增强膜造成损害。并且，另一个目标是提供一种通过该制造方法制造的增强电解质膜。利用这种未被损害的增强电解质膜，能够获得具有高的电效率的用于聚合物电解质燃料电池的膜电极组件。

解决这些问题的方法

根据本发明的第一项发明是一种制造聚合物电解质燃料电池中的膜电极组件的方法。该方法至少包括以下步骤：第一步，在电解质膜上施加电解质颗粒和电极催化剂颗粒或者其混合物，使得形成层叠体；以及，第二步，加热所述层叠体，使得至少熔化所述电解质颗粒，并且通过所述熔化的电解质，将所述电解质膜和包括所述电极催化剂颗粒的电极催化剂层彼此整体地接合。