[发明专利]用于聚合物电解质膜燃料电池的电极、膜电极组件、及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(a)，要求于2008年10月6日申请的 韩国专利申请第10-2008-0097559号的优先权，该申请的全部内容引入 本文作为参考。

技术领域

本公开涉及用于聚合物电解质膜燃料电池的电极、包括该电极的 膜电极组件(MEA)、以及它们的制造方法。本发明还涉及在车用聚合 物电解质膜燃料电池(PEMFC)中使用的电极、包括该电极的膜电极 组件、以及使用通过高浓度催化剂分散法制备的催化剂浆，来制造具 有高性能和最优设计的用于聚合物电解质膜燃料电池的电极和膜电极 组件的方法。

背景技术

本发明涉及制造膜电极组件(MEA)的方法，该MEA是车用聚 合物电解质膜燃料电池的核心元件。为了制造聚合物电解质膜燃料电 池的MEA催化剂电极，首先需要开发具有高度流动性的高度分散的催 化剂浆。然而，还未知用于均匀地分散高浓度的纳米尺寸的催化剂颗 粒的技术方法。用于分散低浓度的催化剂颗粒的技术已有报道。

根据制造电极的通用方法，由于难以分散高浓度的催化剂颗粒， 适当地制备低浓度的催化剂浆并用于通过喷涂来制造电极。然而，当 使用此种方法时，催化剂损失率增加，并且因此应该涂覆催化剂几次， 导致加工时间增加，从而增加制造成本。

根据催化剂浆分散技术，有可能通过应用高压将催化剂颗粒中的 离聚物填充进原生孔隙(primary pore)中；然而，在使用此技术的过 程中，难以实施制造工艺，并且由于在原生孔隙中的空气层不完全被 消除，因此可能存在许多与离聚物填充相关的限制。

用于适当地制造MEA的常规方法包括其中在聚合物电解质膜上 形成电极层的催化剂涂覆膜(CCM)法、其中在气体扩散层(GDLs) 上形成催化剂层的催化剂涂覆GDL(CCG)法、等等。还提到了一种 贴花法(decal method)，该方法是在CCM法中使用的一种间接贴花工 艺；然而，上面提到的方法中没有一种非常适合应用于制造MEA。

使用贴花法(对应于CCM法)，很容易控制催化剂层的厚度和面 积，确保很高的大规模生产率。因此，与CCG法相比，使用贴花法有 可能减少聚合物电解质膜与催化剂层之间的接触阻抗(contact resistance)，并且有可能在贴花期间通过热压形成致密的催化剂层，从 而改善耐用性。然而，与CCG法相比，通过贴花法形成的催化剂层可 能具有较低的孔隙度，并且因此可能使初始电池性能(initial cell performance)下降。

因此，有必要提供一种使用由高浓度催化剂分散法制备的高效的 催化剂浆来制造被最优设计的膜电极组件的方法，该方法能减少催化 剂损失并提高催化剂利用率。

本背景技术章节中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技 术的理解，并且因此可能含有不形成为本国本领域普通技术人员所公 知的现有技术的信息。

发明内容

在一个方面，本发明提供用于聚合物电解质膜燃料电池的电极、 包括该电极的膜电极组件、以及它们的制造方法。根据本发明的优选 实施方式，与常规的催化剂浆相比，适当地提供均匀分散的高浓度催 化剂浆以提高催化剂利用率，并且在催化剂浆分散中使用的溶剂的比 例被优选地控制以改善电极性能，从而制造最优设计的膜电极组件。 根据本发明的其他优选实施方式，本发明提供通过贴花法制造用于聚 合物电解质膜燃料电池的电极和包括该电极的膜电极组件的方法，该 方法可适当地防止当通过常规贴花法制造膜电极组件时所引起的燃料 电池的性能下降，以确保很高的大规模生产率，减少催化剂层之间的 接触阻抗，并改善膜电极组件的耐用性。

在一个优选的方面，本发明提供适当地制造用于聚合物电解质膜 燃料电池的电极的方法，该方法包括：通过超声波和高速搅拌分散初 始催化剂颗粒；通过真空消泡使离聚物充填并吸附进催化剂颗粒的原 生孔隙中；通过珠磨分散小量的残余的大催化剂颗粒；去除制造过程 期间生成的微泡；通过最终过滤形成去除了大催化剂颗粒的催化剂浆； 以及将催化剂浆涂覆在离型膜的表面上，并且干燥已涂覆的催化剂浆。