[发明专利]燃料电池的膜电极组件的制造方法

说明书

在薄而敏感的燃料电池用电解质膜上以薄膜涂布包含电解质溶液、担载了催化剂的碳以及水或醇系溶剂或水和醇系溶剂的电极墨、或者核壳型电极墨，制造无变形的膜电极组件。在加热吸附辊的上游设置小直径辊，在所述小直径辊上或离开小直径辊的位置上，使用槽式喷嘴涂布电极墨以形成至少一侧的电极，通过加热吸附辊瞬间蒸发溶剂从而形成电极。

技术领域

本发明主要涉及在以液态的液膜涂布到长的被涂物上的行业中采用被称为槽模(slot die)、缝模(slit die)、槽式喷嘴(slot nozzle)等的头进行涂布的方法。例如包括燃料电池、特别是PEFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)型燃料电池的电极形成方法，以及采用该方法制造出的MEA(膜电极组件)及燃料电池。

被涂物的材质、形状和涂布的材料等没有特别限定，但为了应用于MEA的CCM(Catalyst Coated Membrane、催化剂涂膜)式电解质膜·电极形成方法等，通过直接槽式喷嘴在电解质膜涂布电极墨而形成电极时，在生产率方面特别有效。

背景技术

以往，对电解质膜混合离聚物的一种即电解质溶液和担载于碳粒子或碳纤维上的铂等构成的微粉而形成为电极催化剂墨，并将其涂布到GDL(Gas Diffusion Layer、气体扩散层)上压接于电解质膜，或者涂布到PTFE等离型膜上转印于电解质膜。所述压接方法和转印方式中不存在液体，因此在电解质膜与电极之间产生电阻，使燃料电池性能降低。为了解决这一问题，提出了将CCM方式的电极催化剂墨直接涂布到电解质膜上的方法。

专利文献1是由本发明人发明的方法，其提出了将辊对辊(Roll To Roll)用的电解质膜解绕，在吸附于加热了的吸附鼓或吸附带上的状态下，通过喷涂等层叠涂布电极墨并使其干燥的方法。由于在电解质膜通过吸附鼓等的加热而被吸附加热的状态下通过喷涂等而以薄膜层叠，所以喷涂粒子涂覆到电解质膜上并流平的瞬间使溶剂瞬间挥发。因此，由于不会对电解质造成损伤并提高密合性，所以能够将电极与电解质膜的界面电阻降低到极限，因此能够形成理想的CCM。另外，也提出了在吸附鼓与电解质之间存在宽度比电解质膜宽的透气性纸来吸引电解质膜，所以以不残留吸附鼓等多孔体的吸附痕迹的方式均匀地吸引整个电解质膜表面的方案。

专利文献2也是由本发明人发明的方法，其提出了在辊对辊(Roll To Roll)用的电解质膜的两面贴合作为电极形状的掩模的膜，形成电极形状的凹部，一边对其解绕并用加热了的吸附辊或吸附带吸附，一边层叠涂布电极墨并卷绕的方法。在该方法中，推荐涂布电极墨时，一边通过透气性基材用加热了的吸附鼓等吸引电解质膜一边涂布电极墨。

CCM方式是理想的，但由于电解质膜对湿气等敏感，且也有涂布电极催化剂墨时在一瞬间变形的Nafion膜等，因此，如上所述，尝试将电解质膜吸附在加热吸附带或加热吸附辊等上，使其不变形地移动，同时利用喷涂喷嘴或槽式喷嘴等进行涂布。为了得到预期的电极图案，喷涂必须使用掩模，其在提高生产速度这点上存在困难。

槽式喷嘴对于提高生产速度是有效的，但当配置在加热吸附辊上的“在辊上”时存在以下问题。电极墨由担载于碳上的铂、离聚物、水和醇系溶剂等构成，因此若将加热辊设为100℃左右以上，则在对面隔着电解质膜而未被加热的槽式喷嘴顶端因温度差由于涂布的电极墨的水和/或溶剂蒸汽等而发生结露，对涂布面造成不良影响。

为了防止这种情况，有对包括喷嘴在内的装置进行加热的方法，但如果槽式喷嘴的温度高，则喷嘴顶端容易干燥，在喷嘴开口部发生结皮，有电极墨的喷出变得不稳定的倾向。

另外，即使是在室温下用研磨装置将圆度研磨到数微米以下的吸附辊，在加热时由于结构复杂所以辊也会发生大的挠曲变形，圆度极差。

近来所要求的电极催化剂量，在阳极为每平方厘米0.15mg以下、在阴极为0.3mg以下、极少，铂催化剂的比重为20以上，因此膜厚变薄。