膜电极复合体的制造方法技术

本发明专利技术的课题是提供采用高耐热性、高强度、高拉伸弹性模量和低含水率的电解质膜，也可维持抑制燃料交叉的效果，同时能够以短时间、在低温度、低压力下、进而不进行聚合等即简便地降低电极和电解质膜界面的电阻的使用了界面电阻降低性组合物的膜电极复合体的制造方法，本发明专利技术的课题可通过膜电极复合体的制造方法和膜电极复合体来达成，本发明专利技术的膜电极复合体的制造方法，是制造使电解质膜介于一对电极间而形成的膜电极复合体的方法，其包括下述工序：将至少一方电极通过含有增塑剂的界面电阻降低性组合物与电解质膜贴合的工序。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可达成高输出功率密度的膜电极复合体及其制造方法、以 及使用该膜电极复合体的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是排出物少、且能量效率高，对环境的负担低的发电装置。 因此，近年的地球环境保护提高之中，再度受到人们关注。与以往的;USL 模发电设施比，比较小规模的分散型发电设施、汽车、船舶等移动工具的 发电装置，是将来也被看好的发电装置。另外，作为小型移动i殳备、便携 设备的电源也受到关注，作为镍氢电池和锂离子电池等二次电池的代替品， 或者作为二次电池的充电器，或者通过与二次电池并用(混合)，可期待搭栽在便携电话等便携设备和个人电脑等上。在高分子电解质型燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)中，以 氢气为燃料的以往的高分子电解质型燃料电池(以下有时记载为PEFC)之 外，直接供给甲醇等燃料的直接型燃料电池也正被关注。直接型燃料电池 与以往的PEFC比输出低，但是由于燃料为液体，不使用改质器，因此具 有能量密度增高，每填充一次的便携设备的使用时间为长时间的优点。极、阳极和阴极之间成为质子传导体的高分子电解质膜构成膜电极复合体(MEA),该MEA被隔板夹持而成的单电池(cell)构成为单元(unit)。 在此，电极由进行气体扩散的促进和集(给)电的电M材(也称为气体 扩散电极或集电体)、实际上成为电化学反应场的催化层构成。例如PEFC 的阳极电极，氢气等燃料在阳极电极的催化层中反应，产生质子和电子， 电子传导到电M材，质子向高分子电解质膜中传导。因此，对于阳极电 极要求气体扩散性、电子传导性、质子传导性良好。另一方面，在阴极电 极，氧和空气等氧化气体在阴极电极的催化层中与从高分子电解质膜传导 过来的质子、从电^材传导过来的电子发生>^应，生成水。因此，在阴 极电极，也与气体扩散性、电子传导性、质子传导性一同地需要高效率地 排出生成的水。另外，在PEFC之中，以甲醇等为燃料的直接型燃料电池中，要求具 有与以氢气为燃料的以往的PEFC不同的性能。即，在直接型燃料电池中， 在阳极中，曱醇水溶液等燃料在阳极电极的催化层中发生反应，产生质子、 电子、二氧化碳，电子传导至电M材，质子传导至高分子电解质膜，二 氧化碳从电极基材通过向系统外释放出。因此，在以往的PEFC的阳极电 极的要求特性之外，还要求甲醇7jC溶液等燃料的透过性、二氧化碳的排出 性。此外，在直接型燃料电池阴极电极，在与以往的PEFC同样的反应之 外，还引起透过电解质膜的曱醇等燃料和氧或空气等氧化气体在阴极电极 的催化层中生成二氧化碳和水的反应。因此，由于生成的水比以往的PEFC 多，因此必须更高效率地排出水。以往，作为高分子电解质膜， 一直使用以于:7^才:/(注册商标)(f-求乂公司制)为代表的全氟系质子传导性聚合物膜。可是，这些全氟系 质子传导性聚合物膜，在直接型燃料电池中存在甲醇等燃料透过性大，电 池输出、能量效率不充分的问题。另外，全氟系质子传导性聚合物膜从4吏 用氟的方面考虑，价格也非常高。曾提出了各种的与以往的全氟系质子传导性聚合物膜不同的非全氟系 质子传导性聚合物膜，例如向非氟系的芳香族系高分子导入了阴离子性基 的高分子电解质膜的方案(参照美国专利申请公开第2002/91225号说明书，4美国专利笫5403675号说明书，Journal of Membrane Science ， Vol.l97，231-242(2002))。可是，这些高分子电解质膜当为了得到高传导度 而增多阴离子性基的导入量时，易向内部i^v水，具有甲醇等燃料交叉大 的缺点。作为该缺点的改良，减少阴离子性基的导入量，减少燃料交叉等 对策可被容易推测，但在该对策中，作为膜电极复合体使用的场合，不仅 离子传导度降低，而且高分子电解质膜变硬，因此与电极的粘合性不充分， 作为结果，作为膜电极复合体的离子传导度降低，作为燃料电池的性能变 得不充分。即，在电解质膜为高耐热性、高拉伸弹性模量的场合，即使可 同时兼有低燃料交叉和高离子传导度，由于膜石更，难以软化，因此在催化 层的微细表面和电解质膜之间易产生空隙。该空隙部积留空气和二氧化碳 等气泡，对于离子传导也构成大的阻力，作为燃料电池的性能变得不充分。作为其对策，例如曾提出了使电解质和电极间介在具有离子性基的物 质的方法(特开昭59-209278号4HH、特开平4-132168号>^寺艮)。在特开昭59-209278号公报中，专利技术实施例中记载了从催化层表面涂 布青状的高分子酸的方法，作为高分子酸，使用聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺 酸的烃系的电解质。可是，骨化的具体方法和骨化所必需的材料完全没有 公开。另外，使用的材料根据燃料电池的运行条件有时耐久性不充分。在特开平4-132168号7>报中，例举了将全氟系质子传导性聚合物涂布 在电极上并干燥之后，经高温压制将电极和膜一体化的方法、苯乙烯磺酸 钠和交联剂的六亚乙基二醇二甲基丙烯酸酯等单体组合物溶液涂布在电极 上后，与电解质膜备^，加热和加压l小时以上，将膜和电极通过该单体 的交联聚合物一体化的方法。可是，这些方法，电极和膜的接合需要长时间，需要150X:左右的高 温等等，因此单体和溶液不必要地渗入电解质膜中等，给电解质膜的抑制 燃料交叉的效果和离子传导性造成坏影响，不能得到高输出功率密度的燃 料电池.而且，这些文献所记载的材料系，例如用于使用含曱醇等燃料的 直接型燃料电池中的场合，电极和电解质膜的粘合层的耐久性不充分，因 此不能获得高输出功率密度的燃料电池。
技术实现思路
本专利技术根据所述
技术介绍
，特别地提供采用高耐热性、高强度、高拉 伸弹性模量和低含水率的电解质膜，也可维持抑制燃料交叉的效果，同时能够以短时间、在低温度、低压力下筒便地降低电极和电解质膜界面的电 阻的，而且提供高输出功率密度的燃料电池。另 外，本专利技术特别地提供使用了高耐热性、高强度、高拉伸弹性模量和低含 水率的电解质膜的抑制燃料交叉的效果高、可获得高输出功率密度的膜电极复合体，此外，提^H吏用该膜电极复合体的高输出的燃料电池。为了达到上述目的，本专利技术采用以下那样的方案。即，本专利技术为膜电 极复合体的制造方法，是制造使电解质膜介于一对电极间而形成的膜电极 复合体的方法，其包括下述工序将至少一方电极通过含有具有离子性基 的高分子材料和增塑剂的界面电阻降低性组合物与电解质膜贴合(以下有 时将贴合电极和电解质膜的工作，包括在贴合电极和电解质膜之后将它们 一体化的工作称为复合化，，)的工序；以及通过利用溶剂提取，从上述 界面电阻降低性组合物除去增塑剂的一部分或全部的工序。另外，本专利技术为膜电极复合体，是使电解质膜介于一对电极间而形成 的膜电极复合体，在至少一方电极和电解质膜间具有层(A),由超微硬 度计测定的电解质膜的储藏弹性模量记为C时，储藏弹性模量C值为lGPa 以上。另外，本专利技术为膜电极复合体，是使电解质膜介于一对电极间而形成 的膜电极复合体，在至少一方电极和电解质膜间具有层(A),该层(A) 的通过扫描探针显微镜的轻敲(tapping)模式扫描而测定的相位差与电解 质膜不同，并且，电解质膜和层(A)含有具有阴离子性基的芳香族烃。此外，本专利技术的燃料电池，其特征为使用了该膜电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜电极复合体的制造方法，是制造使电解质膜介于一对电极之间而形成的膜电极复合体的方法，其包括下述工序：将至少一方电极通过含有具有离子性基的高分子材料和增塑剂的界面电阻降低性组合物与电解质膜贴合的工序；和通过利用溶剂的提取，从上述界面电阻降低性组合物除去增塑剂的一部分或全部的工序。

【技术特征摘要】
JP 2004-12-7 353914/2004;JP 2005-9-1 253178/20051.一种膜电极复合体的制造方法，是制造使电解质膜介于一对电极之间而形成的膜电极复合体的方法，其包括下述工序将至少一方电极通过含有具有离子性基的高分子材料和增塑剂的界面电阻降低性组合物与电解质膜贴合的工序；和通过利用溶剂的提取，从上述界面电阻降低性组合物除去增塑剂的一部分或全部的工序。2. 如权利要求1所述的膜电极复合体的制造方法，具有将上述界面电 阻降低性组合物设置在电解质膜上的工序和/或将该界面电阻降低性组合 物设置在电极上的工序，其后，具有下述(l) ~ (3)的任一工序，(1)将设置有界面电阻降低性组合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：足立真哉，出原大辅，中村正孝，下山直树，植手贵夫，希代圣幸，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]