燃料电池用电解质膜和膜电极接合体的制造方法技术

本发明专利技术要得到表面具有凹凸的电解质膜。另外，本发明专利技术要得到具有该电解质膜的、电解质膜表面与电极催化剂层之间的接触面积扩大的膜电极接合体。使用表面具有凹凸形状１１的板１０ａ、１０ｂ对作为氟型电解质的电解质膜１进行加热和加压，从而在电解质膜１的表面上形成凹凸２ａ、２ｂ。成型后，通过对电解质膜１进行水解等处理，来对电解质高分子赋予离子交换性，制成表面具有凹凸的电解质膜３。在两个面上叠层电极催化剂层２１ａ、２１ｂ，制成膜电极接合体２０。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池用电解质膜的制造方法、和使用制造出的电解质 膜来制造膜电极接合体的方法。
技术介绍
作为燃料电池的形式之一已知有固体高分子型燃料电池。固体高分子型燃料电池与其它形式的燃料电池相比，工作温度低(至80。c ioox:左 右)，可以实现低成本和小型化，所以期待作为汽车的动力源等使用。固体高分子型燃料电池，如图4所示，以膜电极接合体(MEA) 50 为主要构成要素，膜电极接合体50被具有燃料(氢气)气体通路和空气气 体通路的两个分隔件51夹持，形成被称作单电池的1个燃料电池55。膜 电^l接合体50具有下述结构，即在作为离子交换膜的电解质膜52的一侧 叠层了阳极侧的电极催化剂层53a，在另一侧上叠层了阴极侧的电极催化 剂层53b。作为电解质膜52，主要使用作为电解质树脂(离子交换树脂)的全氟 磺酸聚合物的薄膜(美国，杜邦公司，Nafion膜)。另外，由于仅由电解 质树脂制成的薄膜不能得到充分的强度，所以向多孔的补强膜(例如，将 PTFE、聚烯烃树脂等拉伸制作的薄膜)中浸渗电解质树脂溶液，来制作补 强型电解质膜(参照专利文献l等)。在电极催化剂层53a、53b中主要使用由担载有铂的碳等电极催化剂和 电解质树脂形成的电极催化材料，将其通过丝网印刷法等涂布在电解质膜 52上，并干燥，制成膜电极接合体50 (参照专利文献2等)。对膜电极掩^体而言，如果电解质膜与电极催化剂层的有效接触面积大，则可以提高发电性能，所以优选。作为实现该目的的方法，已提出了 预先通过压制等在电极催化剂层侧形成凹凸，然后将其与电解质膜压接，而制成膜电极接合体的技术(参照专利文献3等)。 专利文献1特开平9-194609号公报 专利文献2特开平9-180728号公报 专利文献3特开2005-293923号公才艮
技术实现思路
由通常的电解质树脂膜形成的电解质膜、或如专利文献l中记栽那样 制作的补强型电解质膜，其表面均是平坦的，在使用它们通过专利文献2 中记载的通常方法来制作膜电极接合体时，电解质膜与电极催化剂层的有 效接触面积，仅是平坦的表面积。通过采用专利文献3中记栽的方法，在 电极催化剂层侧形成凹凸，可以扩大电解质膜与电极催化剂层之间的有效 接触面积。但在将形成凹凸的电极催化剂层与具有平坦面的电解质膜压接 时，容易损伤电解质膜，另外，由于在电解质膜与电极催化剂层之间存在 界面，导致界面电阻，不能避免膜电极接合体发电效率下降。本专利技术是鉴于上述事实完成的，其目的在于提供可以扩大电解质膜与且提供可以降低电解质膜与电极催化剂层之间的界面电阻，提高发电性能 的使用该电解质膜来制造膜电极接合体的方法。本专利技术的燃料电池用电解质膜的制造方法所涉及的第1专利技术是一种电 解质膜的制造方法，其特征在于，至少包括使用表面具有凹凸形状的板对 氟型电解质的电解质膜进行加热和加压，从而在电解质膜的表面上形成凹 凸的工序。通过上述制造方法制造的电解质膜表面具有凹凸，其表面积因凹凸而 扩大相应的部分。凹凸的大小和形状是任意的，可以基于必要的表面积的 大小来适当设定。在通常情况，凹凸的深度是几个nm 几十个nm。凹凸 可以是由连续曲面形成的，也可以是由多个凹沟或柱状的凹陷等形成的。由于作为电解质膜基材的电解质树脂要具有热稳定性，所以使用由电解质 高分子的前体高分子制作的氟型电解质。在必要时，在电解质膜的表面上 形成凹凸的工序之后，进一步进行水解处理等工序，来对电解质高分子赋 予离子交换性。本申请的燃料电池用电解质膜的制造方法所涉及的第2专利技术，是燃料 电池用电解质膜的制造方法，其特征在于，至少包括下述工序在多孔补 强膜的表面上涂布氟型电解质粒子的涂布工序；使用加热了的板对涂布了 电解质粒子的多孔补强膜进行加热，使电解质粒子熔融并浸渗在多孔补强 膜中，从而制成电解质膜的浸渗工序；和，用表面具有凹凸形状的板对上 述电解质膜进行加压，从而在电解质膜的表面上形成凹凸的工序。这里使用的多孔补强膜，适宜使用在以往的补强型电解质膜中使用的、 将PTFE (聚四氟乙烯)或聚烯烃树脂等沿单轴方向或双轴方向拉伸制作 的多孔补强膜。涂布在多孔补强膜的表面上的氟型电解质粒子，是将氟型 电解质粒化成优选为lOOjim以下粒径的粒子，更优选为0.1fim 50nm左右 粒径的树脂粒子。使用加热板对涂布了氟型电解质粒子的多孔补强膜进行加热，使电解 质粒子熔融并浸^^到多孔补强膜中。熔融的电解质可以在没有外部主动加 压的情况下浸渗到多孔补强膜内，所以对多孔补强膜不会产生由加压导致 的损伤。接着使用表面具有凹凸形状的板，对浸渗有电解质树脂的补强型 电解质膜进行加压，在电解质膜的表面上形成凹凸。用于使电解质粒子熔融的加热板和用于在电解质膜的表面上形成凹凸 的加压板可以是不同的板，此时，浸渗了电解质树脂的补强型电解质膜在 2个板之间移动。还可以使用具有加热机构且表面具有凹凸形状的板，连 续进行上述2个工序。此时，在对板加热的状态下进行电解质粒子的熔融 和其向多孔补强膜中的浸渗，浸渗树脂后，移动板，使补强型电解质膜成 受到压力的状态，然后停止加热并冷却。由此得到具有在电解质膜的表面 上形成凹凸的多孔补强膜的补强型电解质膜。在使用该制造方法时，由于作为基材的电解质树脂粒子要具有热稳定性，所以可以使用由电解质高分子的前体高分子制作的氟型电解质粒子， 必要时，在于补强型电解质膜的表面上形成凹凸的工序之后，进一步进行 水解处理等工序，来对电解质高分子赋予离子交换性。在上述笫2专利技术中，优选至少上迷浸渗工序在减压的环境下进行，由 此可以促进气体从多孔补强膜内逸出，并与熔融的电解质置换，可以缩短 电解质浸渗到多孔补强膜内的时间，且得到充分的浸渗状态。使用表面具 有凹凸形状的板对电解质膜进行加压从而在电解质膜的表面上形成凹凸的工序也可以在减压环境下进行。本申请还公开了一种膜电极叠层体的制造方法，是使用通过上述方法 制造的燃料电池用电解质膜来制造膜电极接合体的方法，其特征在于，在 进行对电解质高分子赋予离子交换性的处理前，在形成了凹凸的电解质膜 的表面上涂布电极催化剂粒子，或者涂布电极催化剂粒子与氟型电解质粒 子的混合物，制成叠层体，对该叠层体加热使电解质膜与电极催化剂层接 合一体化，在该工序之后进行使电解质高分子得到离子交换性的处理。在上述专利技术中，电极催化剂粒子是将铂等催化成分担栽在碳等导电性 载体上的现在已知的催化剂粒子，氟型电解质粒子是粒化成优选为100nm 以下粒径的粒子，更优选为0.1nm 50nm左右，进而优选为ljim以下粒径 的树脂粒子。上述膜电极接合体的制造方法，将形成的叠层体至少加热到氟型电解 质树脂的熔融温度。加热温度约在200X: 270匸的范围。加热可以以任意 的方法进行，但优选在一对加热板之间配置上述叠层体，通过加热板的热 来加热。通过加热，构成电解质膜的氟型电解质树脂和在涂布情况中的涂布的 氟型电解质粒子变为熔融状态，熔融的氟型电解质树脂起到粘合剂的功能， 与涂布的电极催化剂粒子接合一体化。由此使在表面上形成凹凸的电解质 膜、与含有电极催化剂粒子的电极催化剂层的层之间变成没有分界的状态， 即使有也是非常轻微的状态，接合一体化成膜电极接合体。对该膜电极接 合体进行水解处理等处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用电解质膜的制造方法，其特征在于，至少包括使用表面具有凹凸形状的板对氟型电解质的电解质膜进行加热和加压，从而在电解质膜的表面上形成凹凸的工序。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木弘，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]