[发明专利]具有提高的电导率的五层MEA的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有提高电导率的五层MEA的制造方法，该方法 可以减小催化剂层和微孔层(MPL)之间的电接触电阻。

背景技术

由于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有像高输出强度、高 反应率和简化系统等优势，致力于对使用聚合物电解质膜燃料电池作 为车辆电源或具有200kW或更小功率的固定发电机的研究已经取得长 足进步。

在PEMFC中，膜电极组件(MEA)置于最内部，其阳极和阴极 置于电解质膜的两侧。

也就是说，如图1所示，通过将规定量的催化剂均匀涂布在聚合 物电解质膜(PEM)4的表面上来形成催化剂层3，即阳极和阴极。气 态扩散层(GDL)2置于催化剂层3外侧。具有用来提供燃料并排出反 应所产生的废水的流场的每个分离器1置于GDL2的外侧。

通常，PEMFC的单元电池包括一个PEM，两个GDL，和两个分 离器，并且可以通过对单元电池的堆叠而形成具有规定尺寸的栈单元 (stack cell)。

参考图2，示出了具有上述结构的MEA中反应物转移的示意图， 在燃料电池的阳极发生氢的氧化反应，以产生氢离子和电子。如此产 生的氢离子和电子分别通过聚合物电解质膜和导线被转移到阴极。

同时，在阴极接收氢离子和电子发生氧的还原反应以产生水。此 时，由通过导线的电子的流动和通过聚合物电解质膜的质子的流动产 生电能。

通常地，可以通过催化剂涂布在GDL上(CCG)的方法或者催化 剂涂布在膜上(CCM)的方法来制备上述的MEA。在CCG方法中， 催化剂被涂布在气态扩散层(GDL)上，然后将涂布有催化剂的GDL 与聚合物电解质膜相结合产生五层膜电极组件。在CCM方法中，催化 剂被涂布在聚合物电解质膜上从而产生三层MEA。

由于CCG制造方法简单容易，所以被广泛应用在实验室中。然而， 由于CCG方法具有很严重的缺点，即催化剂层只能通过喷涂法将催化 剂层涂布在GDL上，并且喷涂法具有相对较高的催化剂损失，从而降 低了整体制造效率，因此很难应用于工业领域。

另一方面，作为CCM法，贴花法通常适用于工业领域。在贴花法 中，将催化剂浆涂布在贴花纸(粘性处理纸)上，将涂布的催化剂浆 干燥，之后通过热压法将其加工到聚合物电解质膜上(参考图3)。

由于贴花法可以在聚合物电解质膜上直接形成催化剂层，所以其 具有在电解质膜与催化剂层之间几乎没有任何电阻(质子电阻)的优 点。然而其同样存在缺点，即在将气态扩散层(GDL)堆叠到催化剂 层上的过程中不可避免地产生接触电阻。

通常，GDL包括形成在表面上与催化剂层相接触的微孔层(MPL)。 MPL用来流畅地流出由电化学反应所产生的废水，并促进具有几纳米 直径气孔的催化剂层与具有几微米直径气孔的GDL之间进行物理接 触。

MPL包括碳粒子和粘合剂。使用碳粒子来确保电导率。使用粘合 剂将碳粒子粘合(例如，将碳粒子粘合并将碳粒子和GDL粘合起来)， 并提供防水性能。主要使用聚四氟乙烯树脂作为粘合剂，由于其具有 疏水性能，因而可以流畅地排水。

图4中示出常规MEA层结构的一个例子。在CCG法中，如上所 述，催化剂层直接涂布在MPL上并烘干。因而，在催化剂层与MPL 之间不产生分界，不产生电接触电阻。相反地，在CCM法即贴花法中， 由于催化剂层通过简单的连接压力与MPL接触，所以在其分界面上产 生电接触电阻。

为解决接触电阻的问题，已开发出各种类型的MPL并已使其商业 化。然而，因为很难将催化剂层和MPL的结构精确地结合在一起，所 以很难获得最大输出性能。而且，提供最优结合还需要相当多的时间 和资源。此外，在开发出新的催化剂层之后，还必须开发出适于新催 化剂层的新MPL。

例如，可以使用热压法去除催化剂层和MPL之间的接触电阻。然 而，用作催化剂层的粘合剂的Nafion，具有大约100℃至大约130℃ 的玻璃态转化温度(Tg)，大约200℃至大约230℃的熔点(Tm)，用 作MPL的粘合剂的聚四氟乙烯树脂具有大约340℃高温的Tg。因此， 不能只通过简单的热压法将两层连接起来。

此外，由于粘合剂会影响化学稳定性并会产生附加的接触电阻， 所以一般不希望使用粘合剂。

因此需要提供一种能够克服现有技术中的上述问题的新的制造方 法。