專利名稱：燃料電池用電極的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池用電極的制備方法，該燃料電池含有置于正極和負極之間的離子交換膜，并通過使氫與負極上的催化劑接觸的同時使氧與正極上的催化劑接觸以產(chǎn)生電。
背景技術：
圖33和圖34顯示了現(xiàn)有的燃料電池用電極。在該燃料電池用電極700中，離子交換膜703置于負極層(氫電極)701和正極層(氧電極)702之間，使氫分子(H2)與包含在負極層701中的催化劑接觸，氧分子(O2)與包含在正極層702中的催化劑接觸，從而使電子e-發(fā)生如箭頭所示的流動，這樣就產(chǎn)生了電流。在電流產(chǎn)生的過程中，由所述氫分子(H2)和所述氧分子(O2)產(chǎn)生了水(H2O)。
如圖34所示，燃料電池用電極700具有粘結層706和707，分別處于一對擴散層704和705的內側。負極層701和正極層702分別處于這些粘結層706和707的內側。離子交換膜703位于負極層701和正極層702之間。
為制備燃料電池用電極700，首先將制備粘結層706的溶液涂覆于擴散層704上，同時將制備粘結層707的溶液涂覆于擴散層705上，然后，通過燒結所涂覆的粘結層706和707，使粘結層706和707固化。
接著，將制備負極層701的溶液涂覆于已固化的粘結層706上，同時將制備正極層702的溶液涂覆于已固化的粘結層707上，并通過干燥所涂覆的負極層701和正極層702，使負極層701和正極層702固化。
然后，將片狀離子交換膜703置于已固化的負極層701之上，將有固化的正極層702的擴散層705置于離子交換膜703之上，這樣形成了7層的多層結構，之后，加熱該多層結構，并按照箭頭所示進行壓接，進而形成電極結構。
如上所述，在燃料電池700內將薄片用作離子交換膜703，并在粘結層706、負極層701、正極層702和粘結層707等各個層固化后進行加熱、壓接，因此，在各層的界面上存在著產(chǎn)生密合性差的部分的風險。
當燃料電池用電極的各層上產(chǎn)生密合性差的部分時，就很難有效產(chǎn)生電流，而且，在生產(chǎn)線中的檢驗階段，這些燃料電池用電極就會被當作廢品處理，或需對其進行維修處理，因此阻礙了生產(chǎn)率的提高。
而且，因為將薄片用作離子交換膜703，而考慮到離子交換膜703的可操作性(處理性能)時，該離子交換膜703須制得厚一些。因此就很難將電極制薄，這成為燃料電池小型化的阻礙。
因此，就希望能防止在各層的界面上出現(xiàn)密合性差的部分，還能防止離子交換膜的性能退化，并且可以將離子交換膜制作得很薄。
在所述燃料電池的正極/負極中，其中有一些是根據(jù)應用而采用了多邊形(例如八邊形)的正極或負極。
圖35A和圖35B是表示構成現(xiàn)有燃料電池的多邊形離子交換膜的制備方法的圖，解釋說明了將離子交換膜703涂覆于負極701上的例子。
圖35A中，多邊形(八邊形)負極701由碳紙構成，該負極701被置于工作臺715之上。然后，按箭頭所示將絲網(wǎng)印刷機716從工作臺715的一端715a向另一端715b移動。
該絲網(wǎng)印刷機716兩端有支腳部位716a、716a，以及跨越支腳部位716a、716a的出料部位716b，當絲網(wǎng)印刷機716的出料部位716b達到負極701上方的位置時，從出料部位716b吐出用于制備離子交換膜的樹脂溶液。
圖35B中，當絲網(wǎng)印刷機716在位置E1和位置E2之間移動時，從絲網(wǎng)印刷機716的出料部位716b向負極701涂覆制備離子交換膜的漿料(樹脂溶液)。接著，在清除涂覆于該負極外側的漿料718之后，對負極701表面上的樹脂溶液進行干燥，以得到多邊形的離子交換膜。
當用絲網(wǎng)印刷機716涂覆漿料718時，如圖35A所示使出料部位716b按箭頭所示方向移動，同時從出料部位716b吐出漿料718，這樣漿料718涂覆的區(qū)域719形成如圖35B所示的矩形。因此在負極701外側的多個額外區(qū)域719a(即該矩形各角落)也涂覆有漿料718，這些涂覆于額外區(qū)域719a的漿料718需要回收。而回收操作需要時間，因此阻礙了生產(chǎn)率的提高。
為確保燃料電池的性能，在離子交換膜703(參見圖33)成型時需要使其表面平坦。所以，當用絲網(wǎng)印刷機716來涂覆漿料718時，必須從出料部位716b的整個區(qū)域均勻吐出漿料718。
然而，為從一個面積相對較大的部分如出料部位716b，均勻地在整個區(qū)域內吐出漿料718，就需要進一步提高絲網(wǎng)印刷機716的出料精度。因此，絲網(wǎng)印刷機716的設備成本會很高，這阻礙了燃料電池成本的降低。所以希望能有一種燃料電池用離子交換膜的成型方法，可防止?jié){料涂覆于額外區(qū)域，并且離子交換膜成型時可以比較簡單地使其平坦。
圖36A和圖36B為構成現(xiàn)有燃料電池的離子交換膜的另一種制備方法的簡圖。
圖36A中，制備在基板713上涂覆有負極701的電極板714，將該電極板714置于工作臺715之上。然后，在所涂覆的負極701干燥前，按箭頭方向移動絲網(wǎng)印刷機716。出料部位716b處于該絲網(wǎng)印刷機716上部，當絲網(wǎng)印刷機716的出料部位716b到達電極板714(基板713和負極701)的上方時，從出料部位716b吐出用于形成離子交換膜的樹脂溶液。
圖36B中，當絲網(wǎng)印刷機716在位置P1和位置P2之間移動時，從絲網(wǎng)印刷機716的出料部位716b，向電極板714(基板713和負極701)上涂覆用于形成離子交換膜712的樹脂溶液，這樣，電極板714就被樹脂溶液712所覆蓋。隨后，將該樹脂溶液干燥后得到離子交換膜703。
但是，當從絲網(wǎng)印刷機716一邊將樹脂溶液712涂覆于電極板714上一邊按箭頭所示方向從位置P1開始移動時，在負極701表面產(chǎn)生了如箭頭a所示方向的剪切力。而且樹脂溶液712從絲網(wǎng)印刷機716涂覆于電極板714上時，負極701尚未干燥。
當負極701表面如此產(chǎn)生箭頭a所示方向的剪切力時，在該剪切力作用下，負極701的表面層部位701a有可能產(chǎn)生移位。負極701的表面層部位701a發(fā)生移位的產(chǎn)品部件只能當廢品處理或需對其進行修復，這對提高生產(chǎn)率構成了阻礙。因此，希望在負極等電極上形成離子交換膜時，防止電極表面層部位發(fā)生移位。

發(fā)明內容
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，各層間產(chǎn)生密合性差的部分的原因在于，在先前涂覆的膜固化之后涂覆隨后的溶液時，該溶液不能滲入先前涂覆的膜，結果導致密合性較差。
因此，可以知道在先前涂覆的膜未干燥其間覆蓋隨后的溶液，則該溶液將滲入先前涂覆的膜，明顯提高密合性。
同樣發(fā)現(xiàn)，對于在片狀離子交換膜上涂覆溶液的情況，導致密合性差的另一原因是因為溶液不能滲入片狀離子交換膜，因而產(chǎn)生密合性差的部分。
因此，本發(fā)明提供一種燃料電池用電極的制備方法，所述制備方法包括如下步驟將用于制備燃料電池的正極/負極中的任一電極(以下稱為第一電極)的溶液涂覆于薄片上以形成第一電極的電極層(以下稱為第一電極層)；在該電極層干燥之前，將用于制備離子交換膜的溶液涂覆于該電極層上，以形成離子交換膜；在該離子交換膜干燥之前，將用于制備正極/負極中另一電極(以下稱為第二電極)的溶液涂覆于該離子交換膜上，以形成第二電極的電極層(以下稱為第二電極層)；通過干燥所述的第一電極層、第二電極層和離子交換膜進行固化。
即，在本發(fā)明中，如果使用溶液制備所述離子交換膜，且在各自未干燥狀態(tài)下分別涂覆制備電極的溶液和制備離子交換膜的溶液，就會在界面上產(chǎn)生混合。通過此方式，可避免在一對電極和離子交換膜各層界面產(chǎn)生密合性差的部分，所以可以很好地保持離子交換膜上的反應效率。
其中，當使用薄片作為離子交換膜時，該離子交換膜有必要制得厚一些，以保持片狀離子交換膜良好的可操作性。因此，很難將電極結構制得很薄，這構成了電極結構的小型化的阻礙。
在本發(fā)明中，將離子交換膜制成溶液，可在溶液狀態(tài)下操作該離子交換膜。通過將離子交換膜制成溶液，在操作時將無需控制該離子交換膜的厚度。因此，該離子交換膜有可能制得很薄，從而整個電極結構可以制作得盡可能地薄。
在本發(fā)明中，優(yōu)選進行上述干燥時不施加負荷。即，在各自未干燥狀態(tài)下分別涂覆用于制備電極的溶液和制備離子交換膜的溶液，在涂覆完這些溶液后，在不施加負荷的情況下進行干燥。通過這種方式，由于不必對離子交換膜施加負荷，所以該離子交換膜的性能不會因有負荷而下降。
另外在本發(fā)明中，優(yōu)選在所述正/負極的電極層中，將負極層形成于所述離子交換膜的下方，將正極層形成于所述離子交換膜的上方。在未干燥的電極層上涂覆用于制備離子交換膜的溶液時，可能因為重力的影響而使該用于制備離子交換膜的溶液向下流并滲入所述電極層。如果用于制備離子交換膜的溶液滲入電極層，滲入的溶液有可能會減少該電極層中的空隙。因而，在燃料電池用電極結構的制備過程中，如果將正/負電極層中的正極層配置于離子交換膜的下方，所述用于制備離子交換膜的溶液將會減少該正極層中的空隙，所以可能導致發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水不能有效地從正極側擴散層排出燃料電池外。如果產(chǎn)物水不能有效排出，則反應氣體氫氣和氧氣的最優(yōu)供給將受到阻礙，所以濃度過電壓變高，從而難以保持良好的燃料電池發(fā)電性能。
這里，“濃度過電壓”指當電極上的反應物和反應產(chǎn)物的補給速度和除去速度緩慢從而阻礙了電極的反應時出現(xiàn)的電壓降。即，濃度過電壓變高意味著該電壓降的數(shù)值變大。所以，如上所述，本發(fā)明中，將正極層配置于離子交換膜的上方。通過將正極層配置于離子交換膜的上方，可防止制備離子交換膜的溶液在重力作用下滲入正極層，從而可防止正極層的空隙因所述制備離子交換膜的溶液的滲入而減少。其結果是，可將發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水從正極層導至正極側擴散層，并使其通過正極側擴散層中的空隙順利排出，從而可以抑制燃料電池中產(chǎn)生的濃度過電壓的上升而使其處于較低的水平。
用于制備正極的溶液優(yōu)選在噴霧狀態(tài)下進行涂覆。當制備正極的溶液的涂覆壓力高時，在涂覆該制備正極的溶液的過程中，就會存在用于制備離子交換膜的溶液滲入正極層的危險。當制備離子交換膜的溶液滲入正極層時，存在的問題是，制備離子交換膜的溶液達到正極側擴散層并減少該正極側擴散層的空隙。為避免這種情況，通過將制備正極的溶液以噴霧狀進行涂覆，可使離子交換膜不承受額外的涂覆壓力，即，以最小涂覆壓力來涂覆用于制備正極的溶液。這樣，在不對離子交換膜施加額外涂覆壓力的情況下涂覆用于制備正極的溶液，可避免制備離子交換膜的溶液滲入正極層。因此，可防止正極層的空隙因制備離子交換膜的溶液的滲入而減少，這樣可更好地確保正極層空隙。通過這種方式，可將發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水從正極層導至正極擴散層，并通過該正極側擴散層的空隙更好地排出，從而可抑制燃料電池中產(chǎn)生的濃度過電壓的上升而使其處于較低的水平。
在本發(fā)明中，上述干燥是通過采用遠紅外線輻射從所述電極的內部加熱的方式來進行的，由此防止了制備離子交換膜的溶液向電極內部的過量滲透。這樣，用遠紅外線輻射的方式加熱干燥第一電極層、離子交換膜和第二電極層，可使整個離子交換膜從其表面到內部迅速干燥，從而可以抑制制備離子交換膜的溶液向第一或第二電極層內的滲透。通過抑制制備離子交換膜的溶液向電極層內的滲透，可防止該電極層的空隙因該制備離子交換膜的溶液而堵塞。因此，可通過電極層的空隙將發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水導至擴散層，并使其通過擴散層的空隙順利排出。
本發(fā)明中，優(yōu)選在制備正/負電極層的溶液中使用汽化溫度比制備離子交換膜的溶液中所用的溶劑的汽化溫度高的溶劑。這樣，當所用溶劑的汽化溫度比制備離子交換膜的溶液中所用的溶劑的汽化溫度更高時，該離子交換膜可先于電極層得到穩(wěn)妥的干燥。因而，可以更有效地防止制備離子交換膜的溶液向電極層內的滲透。
本發(fā)明中，優(yōu)選將上述的第一電極層分為兩層第一層在遠離離子交換膜的一側，第二層在接觸離子交換膜的一側，設置第二層的孔隙率低于第一層的孔隙率。這樣，通過使第二層具有較低的孔隙率，可遏制制備離子交換膜的溶液向第二層內滲透，從而防止因制備離子交換膜的溶液的滲透而減少該電極層的空隙。
上述第二層的孔隙率優(yōu)選為70％到75％。當?shù)诙拥目紫堵实陀?0％時，則將有可能因孔隙率太低而導致制備離子交換膜的溶液不能適量地向第二層內滲透。這樣的話，就難以保持離子交換膜與第二層間良好的密合性，并存在不能確保反應所需的有效面積的風險。因此，就存在活化過電壓增高、不可能有效產(chǎn)生電流的風險。為避免這種情況，將所述第二層的孔隙率設為大于等于70％，以保持離子交換膜與第二層良好的密合性。
這里，“活化過電壓”指對電極上的反應所需的活化能進行補充時出現(xiàn)的電壓降。即活化過電壓變高，則意味著該電壓降的數(shù)值變大。
另一方面，當?shù)诙拥目紫堵矢哂?5％時，其風險是，由于孔隙率太高而使制備離子交換膜的溶液向第二層內的滲透過多。這樣的話，正/負電極中的所述第一電極層的孔隙將因制備離子交換膜的溶液的滲透而減少，從而使發(fā)電生成的產(chǎn)物水不能通過該電極層的空隙順利排出。因此，阻礙了反應氣體氫氣和氧氣的最優(yōu)供給，使?jié)舛冗^電壓變高，因此很難使燃料電池保持良好的發(fā)電性能。為避免這種情況，將第二層的孔隙率設為小于等于75％，以保證產(chǎn)物水可順利排出。
同時，所述第一層的孔隙率優(yōu)選為76％至85％。當?shù)谝粚拥目紫堵实陀?6％時，將因孔隙率太低而使產(chǎn)物水很難有效排出。因此，阻礙了反應氣體氫氣和氧氣的最優(yōu)供給，使?jié)舛冗^電壓變高，從而很難使燃料電池保持良好的發(fā)電性能。為避免這種情況，將第一層的孔隙率設為大于等于76％，以保證產(chǎn)物水可順利排出。
另一方面，當?shù)谝粚拥目紫堵矢哂?5％時，其風險是，由于孔隙率太高而使對于產(chǎn)物水的保水性下降，從而使第一層變干燥，阻礙離子傳導。因此，存在阻抗過電壓變高、不可能有效產(chǎn)生電流的風險。為避免這種情況，將第一層的孔隙率設為小于等于85％，以抑制阻抗過電壓，從而可有效產(chǎn)生電流。
這里，“阻抗過電壓”指與電極內電阻成正比的電壓降。即阻抗過電壓變高，則意味著該電壓降的數(shù)值變大。
在本發(fā)明的方法中，要使第二層的孔隙率低于第一層，優(yōu)選涂覆用于制備第二層的溶液時的霧化能量高于涂覆用于制備第一層的溶液時的霧化能量。這樣的話，第二層的密度將大于第一層的密度，從而使第二層的孔隙率小于第一層的孔隙率。
同時，在本發(fā)明中，為使第二層的孔隙率低于第一層的孔隙率，還可以通過使制備第二層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑小于制備第一層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑，從而使制備第二層的溶液的密度大于制備第一層的溶液的密度。
在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選在制備所述第一電極層的步驟之前包含形成所述第一電極這一方的電極側擴散層(以下稱為第一電極側擴散層)的步驟，并在所述第一電極側擴散層尚未干燥時疊加形成所述的第一電極層，并且優(yōu)選在所述的第二電極層形成之后包含形成所述第二電極這一方的電極側擴散層(以下稱為第二電極側擴散層)的步驟，并在所述第二電極層尚未干燥時疊加形成所述第二電極側擴散層。
優(yōu)選所述第一電極側擴散層由正極側碳紙和正極側粘結層組成，所述第二電極側擴散層由負極側碳紙和負極側粘結層組成。
用于制備該正極側粘結層的溶液優(yōu)選包括作為溶劑的水以及具有疏水性且熔點小于等于150℃的低熔點樹脂。
通常，要使生成的水有效地排出燃料電池之外，可將包含疏水性樹脂(聚四氟乙烯，例如商標名“Teflon”(“特氟隆”)(注冊商標))的溶液涂覆于所述正極側碳紙上，以使該正極側碳紙具有疏水性。然而，聚四氟乙烯的熔點為350℃，與正極層、負極層和離子交換膜相比，由于聚四氟乙烯的熔點高，因此需要另外單獨燒結聚四氟乙烯，而不將其與正極層、負極層和離子交換膜同時燒結，并需要在聚四氟乙烯燒結后將正極層、負極層和離子交換膜干燥。所以，在燃料電池用電極制造過程中，需要兩個干燥的步驟燒結聚四氟乙烯的干燥步驟；和干燥正極層、負極層和離子交換膜的干燥步驟，因此這種電極的制備耗時耗力。
為避免這種情況，以便減少上述干燥步驟的次數(shù)，在本發(fā)明中使用熔點小于等于150℃的低熔點樹脂替代上述用作疏水性樹脂的聚四氟乙烯。即，當疏水性樹脂熔點高于150℃時，可能由于疏水性樹脂熔點太高而不能將其與正極層、負極層和離子交換膜一起燒結。因此，該疏水性樹脂應由熔點低于150℃的樹脂制成，以便在正極層、負極層和離子交換膜干燥的同時燒結該疏水性樹脂。
當有可能以此方式在正極層、負極層和離子交換膜干燥的同時燒結該疏水性樹脂時，制備正極層的溶液就可以在該疏水性樹脂(即，正極側擴散層)干燥之前涂覆于正極側擴散層上，從而在該正極側擴散層與該正極層的界面上就可以獲得最佳混合。
這里，由于正極側碳紙表面是個不平坦的表面，因此很難將制備正極側粘結層的溶液(特別是疏水性樹脂)涂覆于正極側碳紙的凹陷部位。
鑒于此，本發(fā)明中，如上所述，在制備正極側粘結層的溶液中使用水作為溶劑。由于水具有非常優(yōu)良的分散能力，使用水作為溶劑就可能使低熔點樹脂或碳與溶劑良好地混合。因此，可通過噴霧器或噴墨機等以噴霧狀涂覆制備正極側粘結層的溶液，即使是正極側碳紙表面的凹陷部位也可很好地涂覆所述的制備正極側粘結層的溶液。
低熔點樹脂的合適的例子是偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。該偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物具有在作為溶劑的水中分散的性能，所以在150℃的干燥溫度下能夠很好地實施本發(fā)明。即，在作為溶劑的水汽化后，分散在水中的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物達到其熔點并熔化，顯示出疏水性效果。
本發(fā)明中，制備正極側粘結層的溶液中包含有機溶劑。由于有機溶劑具有優(yōu)良的溶解能力，該疏水性樹脂可在該溶劑中良好地溶解。另外，碳擴散或混合于該溶劑中。這里，由于有機溶劑的干燥溫度一般約在70℃到80℃之間，因此在正極層、負極層和離子交換膜的干燥過程中，在將有機溶劑汽化的同時可將疏水性樹脂留下，該疏水性樹脂可與正極層、負極層和離子交換膜同時被燒結。由于該疏水性樹脂可以以此方式在正極層、負極層和離子交換膜干燥的同時被燒結，所以就能將正極層溶液在該疏水性樹脂(即正極側擴散層)干燥之前涂覆于正極側擴散層，從而在該正極側擴散層與該正極層的界面上能獲得最佳混合。
如上所述，有機溶劑具有非常良好的溶解能力，通過使用有機溶劑可使疏水性樹脂在該溶劑中很好地溶解。這樣，就能用噴霧器或噴墨機噴霧涂覆所述制備正極側粘結層的溶液，即使是正極側碳紙表面的凹陷部位也可以很好地涂覆所述的制備正極側粘結層的溶液。
而且，本發(fā)明中用于制備正極側粘結層的溶液含有能溶解在有機溶劑中并具有疏水性的樹脂。作為能溶解在有機溶劑中的疏水性樹脂，適合的例子包括偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯、含氟烯烴/烴類烯烴共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物和含氟環(huán)氧化合物。
而且，在本發(fā)明中，在正極側擴散層和負極側擴散層兩方之一的粘結層(以下稱為第一粘結層)之上形成所述的第一電極層，然后在所述第一電極層上形成離子交換膜，并在所述離子交換膜上形成所述的第二電極層，接著在所述第二電極層上形成第二電極層這一方的粘結層(以下稱為第二粘結層)，然后在所述第二粘結層上配置碳紙(以下稱為第二碳紙)，為使所述第二粘結層與所述第二碳紙之間獲得良好的密合性，制備所述第二粘結層的溶液中含有粘接性優(yōu)異的粘接性樹脂。作為所述粘接性樹脂，優(yōu)選使用離子交換樹脂。
本發(fā)明進一步包括以下步驟在所述第一擴散層(電極側擴散層)形成之后，在其干燥之前通過壓制該擴散層的上表面以將該擴散層的上表面壓平。以此方式使所述第一擴散層的上表面變平，從而可將負極層平坦地涂覆于該擴散層上，也可將離子交換膜平坦地涂覆于該負極層上。因此，通過平坦地形成離子交換膜，可防止涂覆于該離子交換膜的正極層和負極層之間發(fā)生短路。
所述第一擴散層優(yōu)選通過將粘接劑噴霧涂覆于由碳紙構成的薄片來制備，原因是這樣粘接劑可涂覆于該碳紙的凹陷部位。這樣，該粘接劑可涂覆于碳紙的整個區(qū)域從而獲得疏水效果，也可順利地排出由氫分子和氧分子反應生成的產(chǎn)物水。
本發(fā)明還提供了一種離子交換膜的形成方法，即通過在燃料電池正/負極中任一電極(即第一電極)上形成漿料，以此形成用于燃料電池的離子交換膜，所述方法包括如下步驟將所述第一電極置于一底座上，并向所述第一電極施加正電荷；給用于制備離子交換膜的所述漿料施加負電荷，并且在通過漿料噴嘴以噴霧的形式噴出所述漿料的同時，使該漿料噴嘴在所述第一電極的上方移動以使噴霧狀的漿料涂覆于所述電極；以及干燥所述已涂覆的漿料。
這樣，在本發(fā)明中，通過向正或負電極施加正電荷，同時在向制備離子交換膜的漿料施加負電荷的狀態(tài)下將其從漿料噴嘴以噴霧的形式噴出，可以防止該漿料的涂覆不均勻。通過這種方式可使?jié){料良好地涂覆于負極，使形成的離子交換膜平坦。
若所述第一電極為多邊形，優(yōu)選所述第一電極的狹窄部位處使該漿料噴嘴靠近所述電極，并且在該電極的寬闊部位處使該漿料噴嘴遠離所述電極。通過在該電極的狹窄部位處使?jié){料噴嘴接近所述電極，可使該噴嘴噴出的漿料寬度變窄，由此該漿料將不會落在該電極的狹窄部位之外。通過在該電極的寬闊部位處使該漿料噴嘴遠離所述電極，可加寬該漿料噴嘴噴出的漿料的寬度，由此所述電極的寬闊部位將被該漿料涂覆。由此根據(jù)電極寬度來調整漿料噴嘴的高度，可避免例如漿料在電極狹窄部位處伸出電極，也可避免漿料涂覆到額外區(qū)域。
本發(fā)明還提供了一種離子交換膜的成型方法，即通過在燃料電池的多邊形正/負極中任一電極(即第一電極)上形成漿料，以此來形成用于燃料電池的離子交換膜，所述方法包括如下步驟將所述第一電極置于底座上；以鋸齒形配置多個漿料噴嘴，所述漿料噴嘴用于以噴霧形式噴出制備所述離子交換膜用的漿料；使所述多個漿料噴嘴在所述第一電極的表面上方水平移動，同時，將所噴出的漿料涂覆于所述第一電極的表面；以及干燥所述已涂覆的漿料。
這種成型方法中，使用了多個漿料噴嘴，在該漿料的涂覆過程中，當其中部分漿料噴嘴處于電極之外的區(qū)域時，不讓漿料從這些漿料噴嘴中噴出。通過此方法可避免將漿料涂覆到電極之外的區(qū)域。
同時，由于離子交換膜是由從多個漿料噴嘴以噴霧的形式噴出用于制備離子交換膜的漿料而形成的，因此可對從這些漿料噴嘴噴出的漿料的噴霧量進行單獨調節(jié)。通過此方法可相對簡單地形成平坦的離子交換膜，而不必無謂地提高一個個漿料噴嘴的噴霧精確性。
同時，為避免在處于噴霧狀態(tài)的漿料的邊緣部位出現(xiàn)紊亂，將這些漿料噴嘴以鋸齒形放置，并放置成使從相鄰噴嘴噴出的漿料的邊緣部位交疊的形式。然而，當多個漿料噴嘴移至所述第一電極的表面上方時，為補充這些邊緣部位涂覆的量，將已涂覆的漿料的邊緣部位交疊，以使這些邊緣部位涂覆的量得到補充。其結果是，使邊緣部位和中央部位的涂覆的量達到均一，從而得到平坦的離子交換膜。
本發(fā)明中的成型方法優(yōu)選包括如下步驟在將第一電極置于底座上后，將引導架構件沿第一電極的邊緣放置，以便通過該引導架構件限定漿料的涂覆區(qū)域。當使用該引導架由此限定漿料的涂覆區(qū)域時，該漿料能容易地形成所需的形狀，這樣可毫不費時費力地順利形成離子交換膜的邊緣部分。
而且，本發(fā)明還提供了一種離子交換膜的成型方法，即通過在構成燃料電池的正/負極中任一電極(即第一電極)上形成漿料，以此來形成用于燃料電池的離子交換膜，所述方法包括如下步驟將所述第一電極置于底座上；沿所述第一電極的邊緣配置外側限制壁部件，并用該外側限制壁部件圍起所述第一電極；通過置于所述第一電極上方的噴霧裝置噴出含有氣體的樹脂溶液，同時，使該噴霧裝置在所述第一電極的表面上方移動，從而將該樹脂溶液涂覆于所述第一電極上。
這樣，在該成型方法中，通過將噴霧裝置置于電極上方并通過該噴霧裝置噴出樹脂溶液以使其涂覆于電極上，可避免在電極上產(chǎn)生剪切力。同時，通過噴出含有氣體的樹脂溶液，可降低噴霧壓力。通過該方法，在該樹脂溶液涂覆于電極時，可防止電極表面出現(xiàn)移位。
此外，通過以噴霧的形式噴出含有氣體的樹脂溶液，當向電極邊緣噴灑該樹脂溶液時，可以抑制該電極邊緣產(chǎn)生的霧化壓力即剪切力而使其很小。通過此方法，可抑制電極上產(chǎn)生的剪切力而使其很小，從而可避免該電極表層部位的移位。
同時，通過用外側限制壁部件圍起電極，當樹脂溶液涂覆于電極表面時，該樹脂溶液可沿該外側限制壁部件成型。其結果是，可順利地形成離子交換膜的邊緣。
本發(fā)明還提供了一種燃料電池用電極，所述燃料電池用電極包括燃料電池的正/負極兩方中的任一電極層(即第一電極層)，所述第一電極層是通過將用于制備燃料電池的正/負極兩方中的任一電極(即第一電極)的溶液涂覆于薄片上而形成的；離子交換膜，該離子交換膜是通過在所述第一電極層干燥之前，將用于制備離子交換膜的溶液涂覆于所述第一電極層上而形成的；燃料電池的正/負極兩方中的另一電極層(即第二電極層)，所述第二電極層是通過在所述離子交換膜干燥之前，將用于制備燃料電池的正/負極兩方中的另一電極(即第二電極)的溶液涂覆于該離子交換膜上而形成的，其中，所述第一電極層由遠離離子交換膜一側的第一層和接觸離子交換膜一側的第二層構成，而且所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率。
優(yōu)選所述第二層的孔隙率為70％到75％，所述第一層的孔隙率為76％到85％。
另外，在本發(fā)明中，也可以通過將制備第二層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑制成小于制備第一層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑，從而使所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例1的燃料電池的分解透視圖，。
圖2是表示圖1所示的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖3A至圖3F是表示圖1所示實施例1的燃料電池用電極的第一制備方法的步驟的圖。
圖4A至圖4E是表示圖1所示實施例1的燃料電池用電極的第二制備方法的步驟的圖。
圖5是表示在制備實施例1的燃料電池用電極的方法中加熱干燥法的例子的圖。
圖6A和圖6B是說明實施例1的燃料電池用電極中空隙容積和濃度過電壓關系的圖。
圖7是表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖8A至圖8H是表示圖7所示實施例2的燃料電池用電極的制備方法的步驟的圖。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明實施例3的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖10A至圖10I是表示圖9所示實施例3的燃料電池用電極的制備方法的步驟的圖。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明實施例4的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖12A至圖12G是表示圖11所示實施例4的燃料電池用電極的制備方法的步驟的圖。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明實施例5的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖14A、圖14B和圖14C圖解說明圖13所示實施例5的燃料電池用電極的制備方法的一部分步驟。
圖15是表示根據(jù)本發(fā)明實施例6的燃料電池用電極的橫截面結構的圖。
圖16A至圖16H是表示圖15所示實施例6的燃料電池用電極的第一制備方法的步驟的圖。
圖17A和圖17B是表示圖15所示實施例6的燃料電池用電極的第二制備方法的一部分步驟的圖。
圖18是表示本發(fā)明實施例7所述的含有燃料電池用電極的燃料電池的分解透視圖。
圖19是表示圖18所示燃料電池的離子交換膜的截面圖。
圖20是表示用于實施如圖19所示燃料電池離子交換膜的第一形成方法的成型裝置的透視圖。
圖21是表示如圖20所示的成型裝置的截面圖。
圖22A至圖22J是表示本發(fā)明的燃料電池離子交換膜的第一形成方法的步驟的圖。
圖23是表示用于實施如圖19所示燃料電池離子交換膜的第二形成方法的成型裝置的截面圖。
圖24是表示用于實施如圖19所示燃料電池離子交換膜的第三形成方法的成型裝置的透視圖。
圖25是表示如圖24所示的成型裝置的平面圖。
圖26是表示如圖24所示的成型裝置的截面圖。
圖27A至圖27J是表示如圖19所示燃料電池離子交換膜的第三形成方法的步驟的圖。
圖28A和圖28B是將本發(fā)明燃料電池離子交換膜的第三形成方法的特征與比較例比較的圖。
圖29是表示用于實施燃料電池離子交換膜的第四形成方法的離子交換膜成型裝置的截面圖。
圖30是表示本發(fā)明實施例8的含有電極的燃料電池的分解透視圖。
圖31是表示圖30所示的燃料電池離子交換膜的截面圖。
圖32A至圖32G是表示如圖31所示燃料電池離子交換膜的形成方法的步驟的圖。
圖33是現(xiàn)有燃料電池的示意圖。
圖34是表示圖33所示的燃料電池用電極的結構的圖。
圖35A和圖35B是表示如圖33所示現(xiàn)有燃料電池用電極的離子交換膜的形成方法的圖。
圖36A和圖36B是表示現(xiàn)有燃料電池用電極的離子交換膜的其他形成方法的圖。
具體實施例方式
下面基于附圖詳細說明若干本發(fā)明優(yōu)選實施例。
如圖1所示，燃料電池單元10由多個(圖中例子為2個)燃料電池11、11構成。圖1所示實施例1涉及的燃料電池11含有負極側導流槽板31和正極側導流槽板34，所述負極側導流槽板31配置在燃料電池用電極(以下簡稱為電極)12的負極側擴散層(片)13的外側；所述正極側導流槽板34配置在電極12的正極側擴散層16的外側。
通過在負極側擴散層13上層疊負極側導流槽板31，形成于負極側導流槽板31上的多個導流槽31a被負極側擴散層13覆蓋，因而形成多個水平的氫氣導流通道32。通過在正極側擴散層16上層疊正極側導流槽板34，形成于正極側導流槽板34上的多個導流槽34a被正極側擴散層16覆蓋，因而形成多個垂直的氧氣導流通道35。這些多個氫氣導流通道32和多個氧氣導流通道35相互成直角設置。
電極12具有在粘結層上的作為第一電極層的負極層19和作為第二電極層的正極層20，所述粘結層分別位于負極側擴散層13內側和正極側擴散層16內側；并且所述負極層19和正極層20之間具有離子交換膜21。
將多個以此方式構造的燃料電池11與置于其間的隔板36一起構造出燃料電池單元10。
根據(jù)該燃料電池單元10，通過向氫氣導流通道32提供氫氣，使氫分子(H2)被吸附于包含在負極層19內的催化劑上，同時通過向氧氣導流通道35提供氧氣，使氧分子(O2)被吸附于包含在正極層20內的催化劑上。這樣，電子(e-)可按箭頭所示方向流動，因此產(chǎn)生電流。在電流產(chǎn)生過程中，由氫分子(H2)和氧分子(O2)一起生成產(chǎn)物水(H2O)。
圖2表示的是圖1所示實施例1涉及的電極12的橫截面結構。
實施例1的電極12具有分別位于負極側擴散層13內側和正極側擴散層16內側的負極層19和正極層20，并且所述負極層19和正極層20之間具有離子交換膜21。
負極側擴散層13是由負極側碳紙14和負極側粘結層15構成的薄片。
正極側擴散層16是由正極側碳紙17和正極側粘結層18構成的薄片。
構成負極側粘結層15的粘接劑為碳氟樹脂，該粘結劑具有優(yōu)異的親水性。構成正極側粘結層18的粘接劑為疏水性優(yōu)異的碳聚合物。在聚四氟乙烯的骨架上引入磺酸而制得的物質可以與所述碳聚合物相當。
通過將用于制備負極的溶液與催化劑22混合，并在涂覆該溶液后通過干燥使其固化，從而制得負極層19。負極層19的催化劑22是由碳23的表面負載作為催化劑的鉑-釕合金24而制得的物質，氫分子(H2)被吸附于鉑-釕合金24上。
通過將用于制備正極的溶液與催化劑25混合，并在涂覆該溶液后通過干燥使其固化，從而制得正極層20。正極層20的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于鉑27上。
在負極層19和正極層20之間涂覆溶液狀態(tài)的離子交換膜，然后將其與負極溶液和正極溶液一起進行干燥，并與負極層19和正極層20固化成一體，進而形成離子交換膜21。
下面將基于圖3A到圖3F說明本發(fā)明實施例1涉及的電極12的制備方法。
圖3A中，在碳紙14上形成粘結層15，從而制得片狀負極側擴散層13。
圖3B中，將用于制備負極的溶液涂覆于粘結層15以形成負極層19。
圖3C中，在負極層19干燥之前，將用于制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19上，以形成離子交換膜21。
圖3D中，在離子交換膜21干燥之前，將用于制備正極層20的溶液涂覆于離子交換膜21上，以形成正極層20。
圖3E中，在正極層20干燥之前，在正極層20上形成由正極側碳紙17和正極側粘結層18構成的正極側擴散層16。
接著，在負極層19、離子交換膜21和正極層20干燥之前，在不對電極層19、20和膜21施加負荷的情況下，將電極層19、20和膜21一起干燥。
圖3F中，通過固化負極層19、離子交換膜21和正極層20，可將負極層19、離子交換膜21和正極層20在固化狀態(tài)下進行層疊。
因此，實施例1涉及的電極12的制備方法中，通過使用溶液制備離子交換膜21；并在未干燥狀態(tài)下涂覆制備負極層19的溶液、制備離子交換膜21的溶液和制備正極層20的溶液，使處于各自界面的相鄰溶液之間得到良好的混合。通過此方式可防止粘結層15和負極層19之間的界面、負極層19和離子交換膜21之間的界面、離子交換膜21和正極層20之間的界面、正極層20和正極側粘結層18之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分，而且可以使電極12的反應效率保持良好。
另外，涂覆于負極層19、離子交換膜21和正極層20的各溶液處于未干燥狀態(tài)，并且在涂覆后在不施加負荷的情況下將這些溶液干燥。其結果是，在離子交換膜21的固化過程中，無需對離子交換膜21施加負荷，因此可以防止離子交換膜21的性能受負荷影響而下降。
另外，由于離子交換膜21被制成溶液，所以可以以溶液形式處理離子交換膜21，這樣就無需從操作角度出發(fā)而限定離子交換膜21的厚度。因此，離子交換膜21可以制得很薄，電極12也可制得很薄。
下面基于圖4A至圖4E說明實施例1涉及的燃料電池用電極的制備方法的一個變型。與實施例1的電極的部件相同的部件使用同一附圖標記，省略與此相關的說明。
圖4A中，配置片狀負極側擴散層13。即設置負極側擴散層13的碳紙14，然后，在該碳紙14上涂覆用于制備粘結層15的溶液。
圖4B中，在粘結層15干燥之前，沿粘結層15的上表面如箭頭所示移動噴霧器41，同時以噴霧形式從噴嘴42噴出用于制備負極層19的溶液，這樣就將用于制備負極層19的溶液涂覆于粘結層15上，從而形成負極層19。
在用于制備負極層19的溶液中，所用溶劑的汽化溫度高于制備如圖2所示的離子交換膜21的溶液所用的溶劑的汽化溫度。
這里作為一個例子，在負極層19上涂覆的制備離子交換膜21的溶液中使用醇類溶劑，在制備負極層19的溶液中使用汽化溫度比所述醇類溶劑高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作為溶劑。下文中將對在負極層19的溶液中使用汽化溫度比制備離子交換膜21的溶液所用的溶劑的汽化溫度高的溶劑的原因進行討論。
圖4C中，在負極層19干燥之前，使涂布機45按箭頭所示方向沿負極層19的上表面移動，同時將用于制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19以形成離子交換膜21。具體地講，將涂布機45的刮刀45a置于離負極層19上表面的預定間隔并平行于該上表面的位置，當刮刀45a按箭頭所示沿負極層19的上表面移動時，刮刀45a使制備離子交換膜21的溶液呈一定厚度的水平狀以形成離子交換膜21。
這樣，使用溶液制備離子交換膜21，并在負極層19干燥之前將制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19，由此在負極層19與離子交換膜21之間的界面上兩者的溶液可得到有效混合。
將制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19上，結果制備離子交換膜21的溶液將由于重力作用按箭頭所示向下流動，并滲入負極層19。這樣雖然存在負極層19的空隙因此而減少的可能，但即使負極層19的空隙受到某種程度的損失，這對燃料電池的性能也毫無影響。
圖4D中，在離子交換膜21干燥之前，按箭頭所示將噴霧器43移過離子交換膜21上表面，同時將制備正極層20的溶液以霧化方式從噴嘴44噴出，從而將制備正極層20的溶液涂覆于離子交換膜21上，以形成正極層20。
使用噴霧器43將制備正極層20的溶液涂覆于離子交換膜21的上表面的原因將在后文中說明。
與負極層19的溶液相似，所述正極層20的溶液中使用了汽化溫度比用于制備離子交換膜21的溶液中使用的醇類溶劑高的溶劑。作為例子，在正極層20的溶液中使用汽化溫度比醇類溶劑高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作為溶劑。在正極層20的溶液中使用的溶劑的汽化溫度高于用于制備離子交換膜21的溶液中的溶劑的汽化溫度，其原因將在下文中說明。
圖4E中，在正極層20干燥之前，將用于制備構成正極側擴散層16(參見圖2)的粘結層18的溶液涂覆于正極層20上，以形成粘結層18。
接著，與圖3E所示的方式相同，通過將正極側碳紙17置于粘結層18之上，由粘結層18和碳紙17形成片狀正極側擴散層16。然后，在粘結層15、負極層19、離子交換膜21、正極層20和粘結層18干燥之前，在不對所述層15、19、20和18以及膜21施加負荷的情況下，使所述層15、19、20和18以及膜21一起干燥。
最后，與圖3F所示的方式相同，通過使粘結層15、負極層19、離子交換膜21、正極層20和粘結層18固化，將粘結層15、負極層19、離子交換膜21、正極層20和粘結層18在固化狀態(tài)下層疊成一個整體。從而得到燃料電池12。
如上所述，在實施例1及其變型中，正極層20設置于離子交換膜21之上。通過此方式可防止用于制備離子交換膜21的溶液滲入正極層20，進而可防止用于制備離子交換膜21的溶液減少正極層20中的空隙。其結果是，可通過正極層20的空隙將發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水導至正極側擴散層16，并通過正極側擴散層16順利排出，因此可抑制燃料電池產(chǎn)生的濃度過電壓而使其處于較低水平。
而且，按照該變型的制備方法，形成正極層20時，通過噴霧方式涂覆制備正極層20的溶液，將不會在離子交換膜21或正極層20上施加額外的涂覆壓力，即，可在最小涂覆壓力下涂覆制備正極層20的溶液。也就是說，通過在無額外涂覆壓力施加的情況下向離子交換膜21或正極層20涂覆制備正極層20的溶液，可防止用于制備離子交換膜21的溶液滲入正極層20。因此，可防止制備離子交換膜21的溶液減少正極層20的空隙，能更好地確保正極層20的空隙。通過這種方式，可將發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水從正極層20導至正極側擴散層16，并通過正極側擴散層16的空隙更好地排出，而且可抑制燃料電池產(chǎn)生的濃度過電壓而使其處于較低水平。
雖然該變型中使用噴霧器43將制備正極層20的溶液涂覆于離子交換膜21，但所述制備正極層20的溶液的涂覆并不限于使用噴霧器43，也可使用噴墨法。簡而言之，可采取任何以噴霧形式涂覆制備正極層20的溶液的方法。
其中，噴霧器是以噴霧形式涂覆溶液，噴墨機是以吐出形式涂覆溶液。使用噴霧器時可使噴霧范圍相對增大以縮短涂覆時間，但需要實施掩模處理以保證某些區(qū)域不被涂覆。通常，要回收附著在掩模部分的溶液是非常困難的。
另一方面，使用噴墨機，可準確對準涂覆范圍，所以無需遮掩不涂覆區(qū)域，這樣可以有效地使用溶液。然而，因為其涂覆范圍較窄，所以與噴霧器相比，涂覆速度也較慢。
而且，在該變型中雖然只描述了使用噴霧器41將制備負極層19的溶液涂覆于粘結層15的例子，但也可采用其他涂覆方法涂覆制備負極層19的溶液。
而且，盡管在該變型中只描述了使用涂布機45將制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19的例子，但也可采用其他涂覆方法涂覆制備離子交換膜21的溶液。
此外，通過燃料電池用電極12的制備方法，可防止用于制備離子交換膜21的溶液滲入負極層19和正極層20，進而防止其堵塞負極層19和正極層20的空隙。因此，由燃料電池發(fā)電而生成的產(chǎn)物水可通過負極層19和正極層20(特別是正極層20)的空隙被導至正極側擴散層16(碳紙17和粘結層18)，并通過正極側擴散層16的空隙順利排到外面，所以可以抑制燃料電池中產(chǎn)生的濃度過電壓而使其處于較低水平。
而且，通過在制備負極層19的溶液和制備正極層20的溶液中使用汽化溫度比用于制備離子交換膜21的溶液中的溶劑更高的溶劑，可確保離子交換膜21的干燥優(yōu)先于負極層19或正極層20-的干燥。因而可更加有效地遏制用于制備離子交換膜21的溶液向負極層19和正極層20的滲透，并可防止用于制備離子交換膜21的溶液滲入負極層19或正極層20，進而可防止其堵塞負極層19或正極層20的空隙。
雖然，在實施例1及其變型例中，制備燃料電池用電極12時，負極層19設置在下方，正極層設置在上方，但本發(fā)明不限于此，其中也可以選擇性地將正極層20設置在下方，將負極層19設置在上方。
下面說明如圖5所示的通過人工加熱來干燥各層的例子。
即，在負極層19、離子交換膜21和正極層20干燥之前，不向負極層19、離子交換膜21和正極層20施加負荷，而是通過遠紅外線輻射干燥裝置(電磁加熱裝置)61以從內部加熱的方式而將它們一起干燥。遠紅外線輻射干燥裝置61是一種使用遠紅外線輻射的加熱裝置，遠紅外線輻射即紅外區(qū)域內電磁波中的長波紅外線輻射，其波長范圍約為50-1000μm。
由于遠紅外線輻射干燥裝置61可有效加熱物體的內部，通過用遠紅外線輻射干燥裝置61使負極層19、離子交換膜21、正極層20一起干燥，可從內部到表面使整個離子交換膜21快速干燥。通過此方法可遏制用于制備離子交換膜21的溶液向負極層19和正極層20內的滲透，因此可防止所述用于制備離子交換膜21的溶液堵塞負極層19和正極層20的空隙。
圖6A和圖6B是表示本發(fā)明的燃料電池用電極的空隙容積和濃度過電壓之間的關系的坐標圖。
在所述附圖中，測試例1中，在用于制備離子交換膜21的溶液中使用了醇類溶劑，在用于制備正極層20的溶液中使用了汽化溫度比所述醇類溶劑高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作為溶劑。在測試例1中，用普通熱風干燥裝置干燥負極層19、離子交換膜21和正極層20。即，測試例1中采用了上述實施方案的一部分(乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))。
測試例2中使用了測試例1中作為溶劑的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，而且使用遠紅外線輻射干燥裝置61干燥負極層19、離子交換膜21和正極層20。
在比較例中，沒有使用測試例1和2中作為溶劑的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，也沒有使用測試例2中的遠紅外線輻射干燥裝置61，而是使用了普通熱風干燥裝置。
圖6A的坐標圖中，比較例的正極層20的空隙容積為最小，測試例1可以確保正極層20的空隙容積大于比較例，測試例2可以確保正極層20的空隙容積大于測試例1。即，測試例2中的正極層20具有最大空隙率。
圖6B的坐標圖中，由于比較例中正極層20的空隙容積最小，所以其具有最大的燃料電池濃度過電壓和最大的燃料電池電壓降。
由于測試例1中正極層20的空隙容積較大，所以測試例1中燃料電池的濃度過電壓小于比較例，燃料電池的電壓降也小于比較例。
由于測試例2中正極層20的空隙容積大于測試例1，所以其燃料電池的濃度過電壓小于測試例1，其燃料電池的電壓降可保持在最低值。
因此可看出，如測試例1所示，在用于制備離子交換膜21的溶液中使用醇類溶劑；并且在正極層20的溶液中使用汽化溫度比醇類溶劑更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，就可以較好地抑制燃料電池的電壓降。
而且可看出，通過使用作為測試例1的溶劑的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，并如測試例2所述也用遠紅外線輻射干燥裝置61干燥負極層19、離子交換膜21和正極層20，就可以最有效地抑制燃料電池電壓降，使其達到最小值。
盡管在實施例1中所述的例子是將負極層19置于下方，將正極層20置于上方，但如果使負極層19置于上方，使正極層20置于下方也可取得同樣效果。
而且，在使用遠紅外線輻射干燥裝置61的實施例中，可使用例如微波干燥裝置替代遠紅外線輻射干燥裝置61。微波干燥裝置是一種使用波長范圍約為1×104～30×104μm的微波的加熱裝置。
同時，此處并不限于使用遠紅外線輻射干燥裝置61或微波，即便使用波長范圍為50～30×104μm的電磁波的加熱方式也可取得同樣效果。
在只使用遠紅外線輻射干燥裝置61(電磁波干燥裝置)對離子交換膜21進行加熱和干燥的例子中，也可組合使用遠紅外線輻射干燥裝置61和熱風干燥裝置。
雖然，在實施例1中所述的例子是，在用于制備離子交換膜21的溶液中使用醇類作為溶劑，在用于制備負極層19和正極層20的溶液中都使用汽化溫度比所述醇類溶劑更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作為溶劑，但是不僅限于此，僅在用于制備正極層20的溶液中使用汽化溫度比所述醇類溶劑更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作為溶劑，也可取得同樣效果。其原因是，當用燃料電池產(chǎn)生電流時，由于生成的產(chǎn)物水是通過正極側擴散層(碳紙)排出燃料電池之外的，所以只要確保正極層20的空隙，所述產(chǎn)物水即可排出燃料電池之外。
下面將基于圖7說明實施例2涉及的燃料電池用電極，其中，正極層由兩層構成。與實施例1所示部件相同的部件采用同一符號表示。
該實施例中的燃料電池62在負極側擴散層13和正極側擴散層16的內側分別具有負極層19和正極層60，而且在負極層19和正極層60之間具有離子交換膜21。
負極側擴散層13是由負極側碳紙14和負極側粘結層15構成的薄片。正極側擴散層16是由正極側碳紙17和正極側粘結層18構成的薄片。
構成負極側粘結層15的粘接劑為親水性很強的碳氟聚合物。構成正極側粘結層18的粘接劑為疏水性優(yōu)異的碳聚合物。在聚四氟乙烯的骨架上引入磺酸而制得的物質可以與所述碳聚合物相當。
通過在制備負極的溶液中混合催化劑22，并在將該溶液涂覆后通過干燥使其固化，制成負極層19。負極層19的催化劑22是以碳23的表面負載作為催化劑的鉑-釕合金24而制得的物質，氫分子(H2)被吸附于鉑-釕合金24上。
正極層60分為遠離離子交換膜21一側(即接觸正極側擴散層16的一側)的第一層60a；和接觸離子交換膜21一側的第二層60b，當孔隙率由下述方程式(1)定義時，第二層60b的孔隙率低于第一層60a的孔隙率。
孔隙率＝(1-毛比重/真比重)×100 (1)這里，真比重指內部無空隙或孔隙時的材料的比重。毛比重指假設含有空隙或孔隙的材料具有均勻的密度分布時的比重。
通過在制備第一層60a的溶液中混合催化劑25，并在將溶液涂覆后通過干燥使其固化，制成第一層60a。第一層60a的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于所述鉑27上。
與第一層60a相似，通過在制備第二層60b的溶液中混合催化劑25，并在將溶液涂覆后通過干燥使其固化，制成第二層60b。第二層60b的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于所述鉑27上。
與第一層60a中的催化劑25相比，在第二層60b中的催化劑25設置得更密集，以使第二層60b的孔隙率低于第一層60a。具體地講，第二層60b的孔隙率為70％-75％，第一層60a的孔隙率為76％-85％。
這里將解釋使第二層60b的孔隙率設置為70％-75％的原因。
當?shù)诙?0b的孔隙率低于70％時，其風險是，由于孔隙率太低，用于制備離子交換膜21的溶液不能適量滲入第二層60b。這樣的話，則很難使離子交換膜21與第二層60b之間保持良好的密合性。要避免這種情況，應將第二層60b的孔隙率設置為至少70％，以使離子交換膜21與第二層60b之間保持良好的密合性。
當?shù)诙?0b的孔隙率超過75％時，其風險是，由于孔隙率太高，用于制備離子交換膜21的溶液將過量地滲入第二層60b。這樣的話，正極層60的孔隙將因制備離子交換膜21的溶液而減少，發(fā)電過程中生成的產(chǎn)物水就不能通過正極層60的空隙很好地排出。為避免這種情況，應將第二層60b的孔隙率設置為不大于75％，以使產(chǎn)物水能很好地排出。
下面將解釋使第一層60a的孔隙率設置為76％-85％的原因。
當?shù)谝粚?0a的孔隙率低于76％時，由于孔隙率太低，所以很難有效排出產(chǎn)物水。為避免這種情況，應將第一層60a的孔隙率設置為至少76％，以使產(chǎn)物水很好地排出。
當?shù)谝粚?0a的孔隙率超過85％時，其風險是，由于孔隙率太高而使產(chǎn)物水的保水性降低，從而使第一層60a干燥，進而阻礙了離子的傳導。因此，具有因阻抗過電壓變高而不可能有效產(chǎn)生電流的風險。要避免這種情況，應將第一層60a的孔隙率設置為不大于85％，以抑制阻抗過電壓并可以有效地產(chǎn)生電流。
涂覆溶液狀態(tài)的離子交換膜，然后使其與負極層19和正極層60一起干燥，并與負極層19和正極層60固化成一體，進而在正極層60(具體為第二層60b)和負極層19之間形成離子交換膜21。
下面基于圖8A到圖8H說明圖7所示實施例2涉及的燃料電池用電極12的制備方法。
圖8A中，設置片狀正極側擴散層16。即，配置正極側擴散層16的碳紙17，然后將用于制備粘結層18的溶液涂覆于該碳紙17上。
圖8B中，在粘結層18干燥之前，噴霧器41按箭頭①所示在粘結層18的上方移動，并通過噴嘴42將用于形成正極層60第一層60a的溶液涂覆于粘結層18上。以此方法，在粘結層18上形成第一層60a。
這里，以上述方程式(1)定義孔隙率時，應使第一層60a的孔隙率為76％-85％。
在第一層60a干燥之前，噴霧器41繼續(xù)按箭頭①所示在第一層60a上方移動，并通過噴嘴42將制備正極層60的第二層60b的溶液涂覆于第一層60a上。以此方法，在第一層60a上形成第二層60b。
作為第二層60b的溶液，使用與第一層60a相同的溶液，而且，制備第二層60b的溶液的噴霧壓力，即霧化壓力(霧化能量)，應設為高于制備第一層60a的溶液的噴霧壓力，即霧化壓力(霧化能量)。具體地講，當以上述方程式(1)定義孔隙率時，應使第二層60b的孔隙率為70％-75％。通過對制備第二層60b的溶液設置較高的霧化壓力，由此也提高了溶液的噴霧速度。
這樣，以比制備第一層60a的溶液更高的霧化能量涂覆所述的制備第二層60b的溶液，可使第二層60b的密度高于第一層60a的密度，從而使得第二層60b的孔隙率低于第一層60a的孔隙率。
雖然在實施例2的電極制備方法中所述的例子是，以相同噴霧器41以噴霧形式涂覆所述用于制備第一層60a的溶液和所述用于制備第二層60b的溶液，但并不限于此，此處也可分別使用不同噴霧器涂覆所述用于制備第一層60a的溶液和所述用于制備第二層60b的溶液，并可以改變各自不同的噴霧壓力(霧化壓力)。
而且，作為使制備第二層60b的溶液的霧化能量高于制備第一層60a的溶液的霧化能量的方式，可以代替上述調節(jié)霧化壓力的方式的是，可通過使噴霧器41的噴嘴42靠近涂覆表面來提高霧化能量。
圖8C中，通過設定制備第二層60b的溶液的霧化壓力高于制備第一層60a的溶液的霧化壓力，可以使第二層60b的催化劑25配置得比第一層60a的催化劑25更密集。以此方式，以上述方程式(1)定義孔隙率時，第二層60b能形成比第一層60a更低的孔隙率。
圖8D中，在正極層60的第二層60b干燥之前，使涂布機45按箭頭②所示在第二層60b的上方移動，從而將制備離子交換膜21的溶液涂覆于第二層60b上以形成離子交換膜21。
其中，由于如上所述已設定第二層60b孔隙率低于第一層60a的孔隙率，所以抑制了離子交換膜21的溶液向第二層60b內的滲透。以此方式，可防止制備離子交換膜21的溶液減少正極層60的空隙。
其中，將第二層60b的孔隙率設為大于等于70％，以使離子交換膜21與第二層60b之間保持良好的密合性。將第二層60b的孔隙率設置為不大于75％，可確保能使產(chǎn)物水順利排出的空隙。
同時，將第一層60a的孔隙率設為至少76％，以確保能使產(chǎn)物水順利排出的孔隙，將第一層60a的孔隙率設置為不大于85％，以抑制阻抗過電壓，并使其有效地產(chǎn)生電流。
圖8E中，在離子交換膜21干燥之前，將噴霧器43按箭頭③所示在離子交換膜21上方移動，使制備負極層19的溶液通過噴嘴44涂覆于離子交換膜21上。這樣可以在離子交換膜21上形成負極層19。
圖8F中，在負極層19干燥之前，將負極側擴散層13(參見圖7)的粘結層15的溶液涂覆于負極層19上。
圖8G中，將負極側碳紙14置于粘結層15之上，由此使粘結層15和碳紙14形成片狀負極側擴散層13。
接著，在粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15干燥之前，在不對粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15施加負荷的情況下，將粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15一起干燥。
圖8H中，通過使粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15固化，將粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15在固化狀態(tài)下層疊成一個整體。至此，完成了圖7所示燃料電池用電極62的制備過程。
因此，根據(jù)實施例2中燃料電池用電極62的制備方法，通過將各溶液涂覆于未干燥狀態(tài)下的粘結層18、正極層60、離子交換膜21、負極層19和粘結層15的各上表面上，各界面上相鄰的溶液之間可得到良好的混合。
通過這種方法可防止在粘結層18和正極層60(第一層60a和第二層60b)之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。同時，可防止在正極層60和離子交換膜21之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。而且，可防止在離子交換膜21和負極層19之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。此外，可防止負極層19和粘結層15之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。此方法可保持燃料電池用電極62上良好的反應效率。
此外，通過將離子交換膜21制成溶液可以以溶液形式操作離子交換膜21，所以無需從可操作性觀點出發(fā)限定離子交換膜21的厚度。因此，離子交換膜21可制得很薄，進而燃料電池用電極62也可制得很薄。
下面，基于圖9說明實施例3燃料電池用電極。與圖7所示實施例2燃料電池用電極的部件相同的部件采用同一符號，此處不再贅述。
實施例3中燃料電池用電極72在正極側擴散層16和負極側擴散層13的內側分別具有正極層70(即第一電極層)和負極層19(即第二電極層)，且在負極層19和正極層70之間具有離子交換膜21。即，實施例3中只有燃料電池用電極72的正極層70與實施例2中的燃料電池用電極62不同，其余構造與實施例2相同。下面將說明正極層70。
正極層70分為遠離離子交換膜21一側(即處于接觸正極側擴散層16一側)的第一層70a；和接觸離子交換膜21一側的第二層70b，當孔隙率由下述方程式(1)所定義時，第二層70b的孔隙率低于第一層70a。
孔隙率＝(1-毛比重/真比重)×100 (1)與圖7所示實施例2中第一層60a相同，在制備第一層70a的溶液中混合催化劑25，并在將溶液涂覆后通過干燥使其固化，制成第一層70a。第一層70a的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于所述鉑27之上。該碳26的粒徑為D1。
在制備第二層70b的溶液中混合催化劑71，并在將溶液涂覆后通過干燥使其固化，制成第二層70b。第二層70b的催化劑71是以碳73的表面負載作為催化劑的鉑74而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于所述鉑74之上。該碳(電極)73的粒徑為D2。該粒徑D2小于第一層70a的碳26的粒徑D1。
這樣，通過設置第二層70b的碳73的粒徑D2小于第一層70a的碳26的粒徑D1，與第一層70a的碳26相比，第二層70b的碳73可以采用更密集的形式得到配置。以此方式，可使第二層70b的孔隙率低于第一層70a的孔隙率。具體地講，第二層70b的孔隙率為70％-75％，第一層70a的孔隙率為76％-85％。
將第二層70b的孔隙率設置為70％-75％和將第一層70a的孔隙率設置為76％-85％的原因，與將參照圖7所描述的實施例2中的第二層60b的孔隙率設置為70％-75％和將第一層60a的孔隙率設置為76％-85％的原因相同，這里不再解釋。
下面基于圖10A到圖10I說明圖9所示實施例3中燃料電池用電極72的制備方法。
圖10A中，設置片狀正極側擴散層16。即，配置正極側擴散層16的碳紙17，然后將用于制備粘結層18的溶液涂覆于該碳紙17上。
圖10B中，在粘結層18干燥之前，使噴霧器75按箭頭④所示在粘結層18上方移動，并通過噴嘴75a將制備正極層70的第一層70a的溶液涂覆于粘結層18上。以此方法，在粘結層18上形成第一層70a。
這里，以上述方程式(1)定義孔隙率時，應使第一層70a的孔隙率為76％-85％。
圖10C和圖10D中，在第一層70a干燥之前，使噴霧器76按箭頭⑤所示方向在第一層70a上方移動，并通過噴嘴76a涂覆所述用于制備正極層70的第二層70b的溶液。以此方法，在第一層70a上形成第二層70b。這里，通過設定碳73的粒徑D2小于第一層70a的碳26的粒徑D1，與第一層70a的溶液的碳26相比，第二層70b的碳73可以采用更密集的形式得到配置。以此方式，可使第二層70b的孔隙率低于第一層70a的孔隙率。即，第二層70b的催化劑71可比第一層70a的催化劑25設置得更密集。具體地講，當以上述方程式(1)定義孔隙率時，第二層70b的孔隙率為70％-75％。
圖10E中，在正極層70的第二層70b干燥之前，使涂布機77按箭頭⑥所示在第二層70b的上方移動，使制備離子交換膜21的溶液涂覆于第二層70b以形成離子交換膜21。
在此階段，正極層70被分為兩層第一層70a在遠離離子交換膜21的一側，第二層70b在接觸離子交換膜21的一側，第二層70b的孔隙率被設為70％-75％，第一層70a的孔隙率被設為76％-85％，這樣，由此第二層70b的孔隙率將低于第一層70a的孔隙率。如上所述通過使第二層70b的孔隙率處于低值，就可抑制離子交換膜21的溶液向第一層70a內的滲透，也可減少用于制備離子交換膜21的溶液向第二層70b內的滲透。此方式可防止制備離子交換膜21的溶液減少電極層70的孔隙。
當?shù)诙?0b的孔隙率至少為70％時，可保持離子交換膜21與第二層70b之間良好的密合性，且當?shù)诙?0b的孔隙率不高于75％時，產(chǎn)物水可順利排出。
將第一層70a的孔隙率設為不低于76％可使其孔隙排水良好，將第一層70a的孔隙率設為不高于85％可抑制阻抗過電壓，有效產(chǎn)生電流。
圖10F中，在離子交換膜21干燥之前，使噴霧器78按箭頭⑦所示在離子交換膜21上方移動，并通過噴嘴78a將制備負極層19的溶液涂覆于離子交換膜21。以此方法，在離子交換膜21上形成負極層19。
圖10G中，在負極層19干燥之前，將負極側擴散層13(參見圖9)的粘結層15的溶液涂覆于負極層19上。
圖10H中，將負極側碳紙14置于粘結層15之上，由粘結層15和碳紙14形成負極側擴散層13。
接下來，在粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19和粘結層15干燥之前，在不對粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19或粘結層15上施加負荷的情況下，使粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19和粘結層15一起干燥。
圖10I中，通過將粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19和粘結層15固化，將粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19和粘結層15在固化狀態(tài)下層疊成一個整體。至此，完成燃料電池用電極72的制備過程。
這樣，按照實施例3中燃料電池用電極72的制備方法，通過將各溶液涂覆于未干燥狀態(tài)下的粘結層18、正極層70、離子交換膜21、負極層19和粘結層15各自的上表面上，各界面上相鄰的溶液可得到良好的混合。此方法可防止在粘結層18和正極層70(第一層70a和第二層70b)之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。同時，可防止在正極層70和離子交換膜21之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。而且，可防止在離子交換膜21和負極層19之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分。此外，可防止負極層19和粘結層15之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分，并可使燃料電池用電極72保持良好的反應效率。
盡管在實施例2和3所述的例子中正極層60、70置于下方，負極層19置于上方，但如果使正極層60、70置于上方且將負極層19置于下方也可取得同樣效果。
在所述的例子中，雖然，在實施例2的電極的制備方法中，使用了噴霧器來涂覆正極層60的第一和第二層60a、60b，在實施例3的電極制備方法中，使用了噴霧器來涂覆正極層70的第一和第二層70a、70b，但這并不意味著必須采用噴霧法來涂覆這些層，而是可選擇性地使用噴墨法進行涂覆。簡而言之，可采用任何使這些制備各層的溶液作噴霧狀涂覆的方法。
圖11表示的是本發(fā)明實施例4中燃料電池用電極112的橫截面結構。與實施例1中燃料電池用電極的部件相同的部件使用同一符號來表示。
實施例4中燃料電池用電極112在負極側擴散層113和正極側擴散層116的內側分別具有負極層19和正極層20，且在負極層19和正極層20之間具有離子交換膜21。
正極側擴散層116是由第一碳紙即正極側碳紙117和第一粘結層即正極側粘結層118構成的薄片。
負極側擴散層113是由第二碳紙即負極側碳紙114和第二粘結層即負極側粘結層115構成的薄片。
負極側粘結層115的溶液包含，例如碳粒115a和用作粘接性優(yōu)異的粘接性樹脂115b的離子交換樹脂。用作粘接性樹脂115b的所述離子交換樹脂有例如全氟離子交換樹脂。該全氟離子交換樹脂的例子包括杜邦公司生產(chǎn)的以“Nafion”為商標而出售的產(chǎn)品、旭硝子公司制造的以“Flemion”為商標而出售的產(chǎn)品和旭化成公司制造的以“Aciplex”為商標而出售的產(chǎn)品。
下面解釋使負極側粘結層115中含有粘接性樹脂115b的原因。
即，在燃料電池用電極112的制備中，例如，將正極層20、離子交換膜21和負極層19依次層疊于正極側粘結層118之上，負極側粘結層115層疊于負極層19之上。因而有必要采用壓制步驟以增加負極側碳紙114和負極側粘結層115之間的粘接性，而在負極側粘結層115中含有粘接性樹脂115b，可使負極側碳紙114和負極側粘結層115之間保持良好的密合性。
下面解釋使用離子交換樹脂作為粘接性樹脂115b的原因。
即，通過使用離子交換樹脂作為粘接性樹脂115b，可使負極側粘結層115的溶液與負極層19的溶液采用同種材料。這樣，負極側粘結層115的溶液中含有的離子交換樹脂可與負極層19的溶液中含有的離子交換樹脂進行良好的混合，則負極側粘結層115和負極層19之間可保持良好的密合性。
正極側粘結層118的溶液中包括，例如碳粒118a、作為疏水性優(yōu)異的樹脂118b的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物和作為溶劑的水。
將正極側粘結層118的疏水性樹脂118b的熔點設為小于等于150℃。當疏水性樹脂118b的熔點超過150℃時，其風險是，由于溫度太高，因而不可能將疏水性樹脂118b與正極層20、負極層19和離子交換膜21一起燒結。
相應地，疏水性樹脂118b為熔點不高于150℃的樹脂時，可在負極側粘結層115、正極層20、負極層19和離子交換膜21層疊之后，將疏水性樹脂118b與負極側粘接層115、正極和負極層20、19和離子交換膜21一起干燥。
熔點小于等于150℃的疏水性樹脂(低熔點樹脂)118b的一個例子為上述偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物具有可作為溶劑分散于水中的性能。在作為溶劑的水蒸發(fā)后，該偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物達到熔點并熔化，表現(xiàn)出疏水效應。
優(yōu)選將正極側粘結層118的疏水性樹脂118b的熔點設為大于等于100□。即，由于偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物不能溶解于水，所以以水作溶劑時，為了使水蒸干，同時使偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物熔化，該共聚物的熔點應至少為100℃。
正極側粘結層118的溶液包含水作為溶劑。由于水具有很強的分散能力，以水作溶劑，可使疏水性樹脂(低熔點樹脂)118b或碳118a在水中得到良好的混合。
以此方式，用于制備正極側粘結層118的溶液可通過噴霧器或噴墨機等以噴霧狀態(tài)涂覆于正極側碳紙117上。因此，制備正極側粘接層118的溶液能很好地涂覆于表面不規(guī)則的正極側碳紙117的凹陷處。
因此，用于制備正極側粘結層118的溶液可很好地涂覆于正極側碳紙117的整個表面，可使疏水性樹脂118b滲透正極側碳紙117的整個表面，從而增強正極側碳紙117的疏水性。
同時，通過在制備負極的溶液中混合催化劑22，并在將其涂覆后通過干燥使其固化，從而制成燃料電池用電極112的負極層19。負極層19的催化劑22是以碳23的表面負載作為催化劑的鉑-釕合金24而制得的物質，氫分子(H2)被吸附于鉑-釕合金24之上。
通過在制備正極的溶液中混合催化劑25，并在將其涂覆后通過干燥使其固化，從而制成正極層20。正極層20的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于鉑27之上。
涂覆溶液狀態(tài)的離子交換膜，然后將其與負極層19和正極層20一起干燥，并與負極層19和正極層20固化成一體，進而在負極層19和正極層20之間形成離子交換膜21。
下面，基于圖12A到圖12G說明圖11所示實施例4中的燃料電池用電極112的制備方法。
圖12A中，設置片狀正極側擴散層116。即，配置正極側擴散層116的碳紙117，然后將噴霧器151按箭頭所示方向在正極側碳紙117上方移動，同時以霧化形式通過噴霧器151的噴嘴151a噴出用于制備正極側粘結層118的溶液，從而形成正極側粘結層118。
其中，由于正極側粘結層118的溶液中含有分散能力很強的水作為溶劑，低熔點樹脂118b或碳粒118a可在溶劑中得到良好的混合。這樣，可以以霧化狀態(tài)涂覆所述制備正極側粘結層118的溶液，并且該制備正極側粘結層118的溶液可良好地涂覆于正極側碳紙117表面的凹陷部位。
因此，如圖12A所示，制備正極側粘結層118的溶液可良好涂覆于正極側碳紙117的整個表面上。這樣，疏水性樹脂118b可滲入正極側碳紙117的整個表面，增強了正極側碳紙117的疏水性。
圖12B中，在正極側粘結層118干燥之前，將制備正極層20的溶液涂覆于正極側粘結層118上，以形成正極層20。以此方式，正極側粘結層118與正極層20之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可以提高該界面的密合性。
圖12C中，在正極層20干燥之前，將制備離子交換膜21的溶液涂覆于正極層20上，以形成離子交換膜21。以此方式，正極層20與離子交換膜21之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可以提高該界面的密合性。
圖12D中，在離子交換膜21干燥之前，將制備負極層19的溶液涂覆于離子交換膜21上，以形成負極層19。以此方式，離子交換膜21與負極層19之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可以提高該界面的密合性。
圖12E中，在負極層19干燥之前，將制備負極側粘結層115的溶液涂覆于負極層19上，以形成負極側粘結層115。以此方式，負極層19與負極側粘結層115之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可以提高該界面的密合性。
其中，制備負極側粘結層115的溶液中含有作為粘接性優(yōu)異的粘接性樹脂115b的離子交換樹脂。該離子交換樹脂與負極層19的溶液中所含的離子交換樹脂為同一物質，負極側粘結層115的溶液中含有的離子交換樹脂可與負極層19的溶液中所含的離子交換樹脂進行良好的混合。以此方式，即使在負極側粘結層115上無正極層20、離子交換膜21和負極層19的重量的作用，負極側粘結層115和負極層19之間也可如正極側粘結層118與正極層20之間一樣保持良好的密合性。
圖12F中，通過將負極側碳紙114置于負極側粘接層115上，由負極側粘接層115和負極側碳紙114形成片狀負極側擴散層113。
接著，在不對正極側粘結層118、正極層20、負極層19、離子交換膜21和負極側粘結層115上施加負荷(即不按現(xiàn)有技術那樣對各層進行加熱壓縮)的情況下，將正極層20、負極層19和離子交換膜21干燥，在該干燥過程中，將正極側粘結層118和負極側粘結層115一起燒結。
通過使用熔點不高于150℃的低熔點樹脂作為正極側粘結層118的疏水性樹脂118b，可以在干燥正極層20、負極層19、離子交換膜21的同時對正極側粘結層118和負極側粘結層115進行燒結。因此，省去了現(xiàn)有技術中只燒結正極側粘結層118的干燥步驟，從而減少了干燥步驟，可以更有效率地制備燃料電池用電極。
圖12G中，正極側粘結層118、正極層20、離子交換膜21、負極層19和負極側粘結層115在固化狀態(tài)下層疊成一個整體。至此，如圖11所示的實施例4中的燃料電池用電極112的制備過程結束。
如上所述，根據(jù)實施例4中燃料電池用電極112的制備方法，通過使用制備離子交換膜21的溶液并在正極層20干燥之前將制備離子交換膜21的溶液涂覆于正極層20上，在正極層20和離子交換膜21之間的界面處它們的溶液可得到有效混合。
更進一步，通過在離子交換膜21干燥之前將制備負極層19的溶液涂覆于離子交換膜21上，在離子交換膜21和負極層19之間的界面處它們的溶液可得到有效混合。
通過使正極層20、負極層19和離子交換膜21一口氣同時干燥，可在正極層20和負極層19與離子交換膜21之間的界面處有效混合的同時將它們固化。通過此方式，可防止在正極層20和負極層19與離子交換膜21之間的界面上出現(xiàn)密合性差的部分，從而可使離子交換膜21保持良好的反應效率。通過此方式，可使燃料電池用電極112保持良好的反應效率。
此外，由于離子交換膜21被制成溶液，所以可以以溶液形式操作離子交換膜21，這就使得無需從操作角度出發(fā)限定離子交換膜21的厚度。因此，離子交換膜21可以制得很薄，燃料電池用電極112可制得很薄。
圖13表示的是本發(fā)明實施例5中燃料電池用電極212的橫截面結構。說明時，與圖11所示實施例4中燃料電池用電極的部件相同的部件采用同一符號表示。
實施例5中燃料電池用電極212在負極側擴散層113和正極側擴散層216的內側分別具有負極層19和正極層20，且在負極層19和正極層20之間具有離子交換膜21。
正極側擴散層216是由第一碳紙即正極側碳紙217和第一粘結層即正極側粘結層218構成的薄片。
正極側粘結層218的溶液含有例如碳粒218a和可溶于有機溶劑且具有疏水性的樹脂(以下稱作疏水性樹脂)218b。
作為疏水性樹脂218b可使用選自下列物質的一種或多種樹脂偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、含氟烯烴/烴類烯烴共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟環(huán)氧化合物。
由于用作疏水性樹脂218b的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、含氟烯烴/烴類烯烴共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟環(huán)氧化合物具有可溶于正極側粘接層218的溶液中含有的有機溶劑的性能，這一點可使本發(fā)明順利進行。
其中，作為有機溶劑，可以舉出醇類溶劑、酮類溶劑和酯類溶劑中的至少一種。
由于制備正極側粘結層218的溶液中含有的有機溶劑具有很強的溶解能力，通過使用有機溶劑可將疏水性樹脂218b很好地溶解于有機溶劑中。碳218a分散或混合于該有機溶劑。
下面，基于圖14A、圖14B和圖14C說明實施例5中燃料電池用電極212的制備方法。
圖14A中，設置片狀正極側擴散層216。即，配置正極側擴散層216的正極側碳紙217，然后將噴霧器151按箭頭所示方向在正極側碳紙217上方移動，同時以霧化形式通過噴霧器151的噴嘴151a噴出用于制備正極側粘結層218的溶液，從而形成正極側粘結層218。
其中，制備正極側粘結層218的溶液里含有溶解能力很強的有機溶劑，疏水性樹脂218b可很好地溶解在有機溶劑中。這樣，可以霧化狀態(tài)涂覆制備正極側粘結層218的溶液，制備正極側粘結層218的溶液可良好涂覆于正極側碳紙217表面的凹陷部位。
因此，可使制備正極側粘結層218的溶液很好涂覆于正極側碳紙217的整個表面。以此方式，疏水性樹脂218b可滲入正極側碳紙217的整個表面，從而增強了正極側碳紙217的疏水性。
圖14B中，在正極側粘結層218干燥之前，將正極層20的溶液涂覆于正極側粘結層218上，以形成正極層20。以此方式，正極側粘結層218與正極層20之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可提高該界面的密合性。
圖14C中，與實施例4中燃料電池用電極的制備方法相同，在正極層20干燥之前，將制備離子交換膜21的溶液涂覆于正極層20以形成離子交換膜21。以此方式，正極層20與離子交換膜21之間的界面上可實現(xiàn)良好的混合并可以提高該界面的密合性。
其后，與實施例4燃料電池用電極的制備方法中圖12D到12G所示方法相同，在離子交換膜21干燥之前，將制備負極層19的溶液涂覆于離子交換膜21上，以形成負極層19。
然后，在負極層19干燥之前，將制備負極側粘結層115的溶液涂覆于負極層19上，以形成負極側粘結層115。接著，在負極側粘結層115干燥之前，配置負極側碳紙114。
這樣，在正極側擴散層216、正極層20、負極層19、離子交換膜21和負極側擴散層113層疊之后，在不對正極側粘結層218、正極層20、負極層19、離子交換膜21和負極側粘結層115施加負荷(即不按現(xiàn)有技術對各層進行加熱和壓縮)的情況下，將正極層20、負極層19和離子交換膜21一起干燥，同時將正極側粘結層218和負極側粘結層115一起燒結。
其中，假設有機溶劑的干燥溫度約為70-80℃，這樣在正極層20、負極層19或離子交換膜21干燥的過程中，所述有機溶劑可被除去而留下疏水性樹脂218b，可將疏水性樹脂218b與其余部分同時燒結。這樣，與實施例4中燃料電池用電極的制備方法相同，由于省去了在現(xiàn)有技術中必要的只燒結正極側粘結層218的干燥步驟，所以可減少干燥步驟，因而可更有效率地制造燃料電池用電極。
根據(jù)上述實施例的制備方法，在制備正極側粘結層218的溶液中含有溶解能力優(yōu)異的有機溶劑，這可使疏水性樹脂218b在該有機溶劑中良好地溶解。
同時，由于可在正極層20、負極層19和離子交換膜21干燥的同時燒結疏水性樹脂218b，因此在疏水性樹脂218b(即正極側擴散層216)干燥之前，將正極層20的溶液涂覆于正極側擴散層216，從而使正極側擴散層216和正極層20之間的界面得到良好的混合。
此外，由于使用了溶解能力優(yōu)良的有機溶劑，因而可使疏水性樹脂218b很好地溶解在有機溶劑中。因此，可將用于制備正極側粘結層218的溶液通過噴霧器或噴墨機等以霧化狀態(tài)進行涂覆，從而將制備正極側粘結層218的溶液很好地涂覆于正極側碳紙217表面的凹陷部位。相應地，由于制備正極側粘結層218的溶液可很好地涂覆于正極側碳紙217的整個表面，所以可使疏水性樹脂218b滲透正極側碳紙217的整個表面，從而改善正極側碳紙217的疏水性。
雖然在實施例4和5的燃料電池用電極的制備方法中描述了將正極側擴散層116和216置于下方并將負極側擴散層113置于上方的方式，但也可使負極側擴散層113置于下方，并使正極側擴散層116和216置于上方。在這種情況下，負極側粘結層115中原先含有的粘接性樹脂115b可包含在正極側粘結層118、218中。通過使粘接性樹脂115b包含在正極側粘結層118、218中這一方式，可使正極側碳紙117、217與正極側粘結層118、218之間保持良好的密合性。
圖15表示的是本發(fā)明實施例6中燃料電池用電極的橫截面結構。說明時，與圖2所示實施例1中燃料電池用電極的部件相同的部件使用同一符號表示。
燃料電池用電極312在負極側擴散層313和正極側擴散層316的內側分別具有負極層19和正極層20，且在負極層19和正極層20之間具有離子交換膜21。
負極側擴散層313是由負極側碳紙314和負極側粘結層315構成的薄片。
正極側擴散層316是由正極側碳紙317和正極側粘結層318構成的薄片。
負極側粘結層315含有例如碳粒315a和疏水性樹脂(如含氟聚合物)315b，負極側粘結層315中與負極層19相鄰的上表面315c是平坦形成的。
正極側粘結層318含有例如碳粒318a和疏水性樹脂(如含氟聚合物)318b。
通過在制備該負極的溶液中混合催化劑22，并在涂覆該溶液后通過干燥將其固化，制成負極層19。負極層19的催化劑22是以碳23的表面負載作為催化劑的鉑-釕合金24而制得的物質，氫分子(H2)被吸附于鉑-釕合金24上。
通過在制備該正極的溶液中混合催化劑25，并在涂覆該溶液后通過干燥將其固化，制成正極層20。正極層20的催化劑25是以碳26的表面負載作為催化劑的鉑27而制得的物質，氧分子(O2)被吸附于鉑27上。
涂覆溶液狀態(tài)的離子交換膜，然后將其與負極層19的溶液和正極層20的溶液一起干燥，并與負極層19和正極層20固化成一體，進而在負極層19和正極層20之間形成離子交換膜21。
下面基于圖16A到圖16H說明本發(fā)明實施例6中燃料電池用電極312的制備方法。
圖16A中，設置片狀負極側擴散層313。即，配置負極側擴散層313的碳紙314，然后將噴霧器351按箭頭①所示方向在碳紙314的上方移動，同時從噴霧器351的噴嘴351a噴出粘接劑(即碳315a和含氟聚合物315b)。
其中，碳紙314的上表面為不規(guī)則表面，但通過使用噴霧器351可霧化碳315a和含氟聚合物315b，并將它們涂覆于碳紙314的上表面，即使碳紙314的凹陷處也可確保被碳315a和含氟聚合物315b所涂覆。以此方式，可使含氟聚合物315b滲透碳紙314的整個區(qū)域，這樣在碳紙的整體區(qū)域上獲得了疏水性效果。
圖16B中，在粘結層315干燥之前，將滾筒354按箭頭②所示沿粘結層315的上表面315c滾動，同時將滾筒354按箭頭③所示移動。這樣可使粘結層315的上表面315c變得平坦。
圖16C中，在粘結層315干燥之前，將制備負極層19的溶液涂覆于上表面平坦的負極側粘結層315上，以形成負極層19。因為負極層19是通過將制備負極層19的溶液涂覆于負極側粘結層315平坦的上表面315c上而制成的，因此負極層19的上表面也是平坦的。
圖16D中，在負極層19干燥之前，通過涂覆離子交換膜21的溶液可形成離子交換膜21。因為離子交換膜21是通過將離子交換膜21的溶液涂覆于已平坦的負極層19而制成的，因此離子交換膜21的上表面也是平坦的。
圖16E中，在離子交換膜21干燥之前，將制備正極層20的溶液涂覆于上表面平坦的離子交換膜21上，以形成正極層20。因為正極層20是通過將正極層20的溶液涂覆于已平坦的離子交換膜21而制成的，因此正極層20的上表面也是平坦的。
由于可以以此方式形成平坦的離子交換膜21，所以可確保涂覆在離子交換膜21上的正極層20和涂覆在離子交換膜21下的負極層19分離，因而可防止正極層20和負極層19之間發(fā)生短路。
圖16F中，在正極層20干燥之前，將正極側粘結層318(即碳318a和含氟聚合物318b)的粘接劑涂覆于正極層20上，以形成正極側粘結層318。
圖16G中，通過將正極側碳紙317置于正極側粘結層318之上，由正極側粘結層318和正極側碳紙317形成片狀正極側擴散層316。
接著，在負極層19、離子交換膜21和正極層20干燥之前，在不對負極層19、離子交換膜21和正極層20施加負荷的情況下，將負極層19、離子交換膜21和正極層20一起干燥。
圖16H中，通過使負極層19、離子交換膜21和正極層20固化，將負極層19、離子交換膜21和正極層20層疊成一個整體。至此，如圖15所示實施例6的燃料電池用電極312的制備過程結束。
因此，根據(jù)實施例6的燃料電池用電極312的制備方法，通過使用溶液來制備離子交換膜21，并在負極層19干燥之前將制備離子交換膜21的溶液涂覆于負極層19，由此可在負極層19和離子交換膜21之間的界面處使它們的溶液得到有效混合。
而且通過在離子交換膜21干燥之前將制備粘結層18的溶液涂覆于離子交換膜21，可在離子交換膜21和正極層20之間的界面處使它們的溶液得到有效混合。并通過將未干燥的正極層20、負極層19和未干燥的離子交換膜21一口氣同時干燥，這樣可以在正極層20和負極層19與離子交換膜21之間的界面處使它們的溶液得到有效混合并在此狀態(tài)下固化。因此，可防止在正極層20和負極層19與離子交換膜21之間的界面處出現(xiàn)密合性差的部分，從而可使離子交換膜21保持優(yōu)良的反應效率。以此方式，也可使燃料電池用電極312保持優(yōu)良的反應效率。
下面基于圖17A到圖17B說明實施例6中燃料電池用電極312的另一種制備方法。
圖17A中，采用與圖16A所示的實施例相同的方式，配置負極側擴散層313的碳紙314后，將噴霧器351按箭頭①所示方向在碳紙314上方移動，同時從噴霧器351的噴嘴351a噴出粘接劑(即碳315a和含氟聚合物315b)。
以此方式使用噴霧器351時，即使碳紙314的凹陷處也可確保被碳315a和含氟聚合物315b所涂覆。以此方式，可使含氟聚合物315b滲入碳紙314的整個區(qū)域，這樣可使碳紙的整體區(qū)域獲得疏水性效果。
圖17B中，在負極側粘結層315干燥之前，壓制板356按箭頭④所示壓制負極側粘結層315的上表面315c，使負極側粘結層315的上表面315c變平坦。
使負極側粘結層315的上表面315c變平坦的方式不限于使用滾筒354(參見圖16B)或壓制板356，本發(fā)明中也可選用其他方式。
雖然在圖15所示的實施例6中說明的是將負極層19置于下方并將正極層20置于上方的例子，但如果將負極層19置于上方，并將正極層20置于下方也可取得同樣效果。
而且，雖然在上述實施例的方法的例子中當粘接劑(即碳315a和含氟聚合物315b)以噴霧的形式涂覆于碳紙314的上表面時，該粘接劑是以霧化方式通過噴霧器351進行涂覆的，但此處也可應用例如噴墨機或諸如此類的其他噴涂法來替代噴霧器。
噴霧器和噴墨機就以霧化方式涂覆溶液這點而言，二者是相同的，但由于在使用噴霧器的情況下范圍相對較寬且可縮短涂覆時間，因此優(yōu)選選用噴霧器。
圖18以分解透視圖的形式表示了關于本發(fā)明實施例7的具有燃料電池用電極的燃料電池。
燃料電池單元400由多個(如圖中例子為2個)燃料電池411、411構成。燃料電池411中，負極(電極)412上設置有燃料電池的離子交換膜(簡稱離子交換膜)414，在離子交換膜414上疊加正極(電極)416，將負極側導流槽基板421配置在負極412外側，將正極側導流槽基板424配置在正極416外側。多個(2個)燃料電池411與它們之間的隔板426構成了燃料電池單元400。
通過將負極側導流槽基板421層疊于負極412之上，負極側導流槽基板421中的導流槽421a由負極412所覆蓋，并形成氫氣導流通道422。通過將正極側導流槽基板424層疊于正極416上，正極側導流槽板424中的導流槽424a由正極416所覆蓋，并形成氧氣導流通道425。
向氫氣導流通道422供給氫氣，氫分子(H2)被吸附于包含在負極412中的催化劑上，同時向氧氣導流通道425供給氧氣，氧分子(O2)被吸附于包含在正極側擴散層16中的催化劑上。這樣電子(e-)如箭頭所示流動從而產(chǎn)生電流。當產(chǎn)生電流時，由氫分子(H2)和氧分子(O2)而得到產(chǎn)物水(H2O)。
圖19表示的是圖18所示離子交換膜414的橫截面結構和由離子交換膜414所覆蓋的負極412。
負極412是由碳紙形成的多邊形(如八邊形)薄片；其內部含有催化劑，并且該催化劑上吸附有氫分子(H2)。其中，碳紙指碳纖維制成的紙。圖18所示正極416是由與負極412相同的碳紙構成的薄片；其內部含有催化劑，并且該催化劑上吸附有氧分子(O2)。
離子交換膜414為多邊形(如八邊形)樹脂膜，該多邊形樹脂膜是通過將樹脂溶液(以下稱“漿料”)涂覆于負極412的表面412a上，并在涂覆后將其干燥而獲得的。作為樹脂溶液，例如可以舉出HC類聚合物溶液?！皾{料”是由樹脂與液體混合制成的溶液。
圖20表示離子交換膜成型裝置430。
離子交換膜成型裝置430包括用于放置八邊形負極412(參見圖18和圖19)的底座431、置于底座431上圍繞負極412的引導架構件433和置于引導架構件433之上的霧化器440。
底座431具有正電荷輸送裝置432，用于向負極412輸送正電荷。
引導架構件433包括沿負極412的邊緣部位412b(參見圖19)的八邊形內表面434；沿內表面434的回收槽435；以及為連通回收槽435而形成的回收孔436。內表面434被涂層劑(圖中未示出)所覆蓋。
霧化器440具有漿料噴嘴441。對漿料噴嘴441的支撐使得該噴嘴具有按箭頭所示移動的可能。漿料噴嘴441具有負電荷輸送裝置442。霧化的漿料從該漿料噴嘴441的末端441a噴出。
漿料噴嘴441的末端441a的噴口形狀制成可使從該噴口噴出的霧化漿料呈橢圓形的形式。
負電荷輸送裝置442將負電荷加載到從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料上。
當漿料噴嘴441從位置P1移至位置P4時，在從位置P1至位置P2的第一區(qū)域E1(電極的狹窄部位)，霧化器440如箭頭所示沿著向上的曲線上升，在從位置P2到位置P3的第二區(qū)域E2(電極的寬闊部位)，霧化器440如箭頭所示水平移動，在從位置P3到位置P4的第三區(qū)域E3(電極的狹窄部位)，霧化器440如箭頭所示沿著向下的曲線下降。
但是，漿料噴嘴441的移動方式并不限于此，而是可以按照負極412的形狀隨意設置。
圖21表示本發(fā)明涉及的離子交換膜的成型裝置。
將霧化漿料451從漿料噴嘴441噴出，在從位置P1至位置P2的第一區(qū)域E1，漿料噴嘴441按箭頭所示沿向上的曲線上升，在從位置P2到位置P3的第二區(qū)域E2，漿料噴嘴441按箭頭所示水平移動，在從位置P3到位置P4的第三區(qū)域E3時，漿料噴嘴441按箭頭所示沿向下的曲線下降。
在從位置P1至位置P2的第一區(qū)域E1，負極412寬度如圖20所示由最小寬度W1逐漸增至最大寬度W2。因此，當漿料噴嘴441在位置P1至位置P2間的第一區(qū)域E1移動時，漿料噴嘴441從高度H1的位置按箭頭所示沿向上的曲線上升。以此方式，從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料的寬度可隨負極412的寬度而變化，從而可防止?jié){料從負極412上伸出。
從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451的噴量隨漿料噴嘴441的上升而增加。這樣，霧化漿料451可均勻涂覆于負極412上。
在從位置P2到位置P3的第二區(qū)域E2，如圖20所示負極412的寬度恒定為最大寬度W2。因此，當漿料噴嘴441在位置P2到位置P3的第二區(qū)域E2的上方移動時，在漿料噴嘴441保持在最大高度H2的同時將漿料噴嘴441水平移動。這樣，可隨負極412的最大寬度W2而相應地增寬從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料的寬度，以便使負極412的最大寬度W2能被霧化漿料所覆蓋。
將第二區(qū)域E2中從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451的噴量設為最大值。這樣，使該區(qū)域的漿料與第一區(qū)域E1上的漿料相匹配，因此霧化漿料451可均勻涂覆于負極412。
在從位置P3到位置P4的第三區(qū)域E3，如圖20所示負極412的寬度從最大寬度W2逐漸減小至最小寬度W1。因此，當漿料噴嘴441在從位置P3到位置P4的第三區(qū)域E3上方移動時，將漿料噴嘴441按箭頭所示從最大高度位置H2沿著向下的曲線下降至最小高度位置H1。這樣，從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料的寬度可對應于負極412的寬度而變化，可防止霧化漿料451從負極412上不必要地伸出。
從漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451的噴量隨漿料噴嘴441的下降而減少。這樣，使該區(qū)域的漿料與第一區(qū)域E1和第二區(qū)域E2上的漿料相匹配，因此霧化漿料451可均勻涂覆于負極412。
通過對應于負極412的寬度調整漿料噴嘴441的高度這一方式，其結果是例如在負極412的狹窄部位，可防止霧化漿料45 1從負極412上伸出，進而可避免將霧化漿料451涂覆于額外區(qū)域。
此外，通過對應于漿料噴嘴441的高度的變化來改變霧化漿料451的噴量，漿料452可以以均勻厚度涂覆于負極412的表面412a上。這樣可以將離子交換膜414(參見圖19)表面制得平坦，并可使燃料電池品質穩(wěn)定。
當漿料噴嘴441置于位置P1或位置P4時，霧化漿料451的邊緣部位451a伸至引導架構件433的內表面434之外；伸出的霧化漿料邊緣部位451a由回收槽435回收。
下面基于圖22A到圖22J說明燃料電池離子交換膜第一形成方法。
圖22A中，多邊形負極(電極)412由碳紙制備，負極412置于底座431上。然后，調整正電荷輸送裝置432以輸送正電荷至負極412。
圖22B中，配置引導架構件433使之圍繞負極412。然后，調整負電荷輸送裝置442以輸送負電荷至由漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451(參見圖21)。
圖22C中，從待機位置P0按箭頭①所示水平移動漿料噴嘴441，并到達第一噴霧位置P1，然后從漿料噴嘴441噴出霧化漿料451。
圖22D中，將漿料噴嘴441放低以使其末端441a距離負極412表面412a的高度為H1，霧化漿料451的寬度W3可設置成略大于負極412末端的寬度(最小寬度)W1，如圖22C所示。這樣，可防止霧化漿料451從負極412上多余的伸出。
伸至引導架構件433內表面434的外側的霧化漿料451邊緣部位由回收槽435回收。
圖22E中，當由漿料噴嘴441噴出霧化漿料451時，按箭頭②所示將漿料噴嘴441從位置P1移動至位置P2。
圖22F中，由于在位置P1至位置P2間的第一區(qū)域E1中漿料噴嘴441沿向上的曲線上升，漿料噴嘴441末端441a的高度H3隨漿料噴嘴441的移動而逐漸升高。因此，如圖22E所示，漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451的寬度W5可對應于負極412傾斜部的寬度W4而逐漸增大。這樣可防止霧化漿料45 1從負極412上多余的伸出。
伸至引導架構件433的內表面434的外側的霧化漿料451邊緣部位由回收槽435回收。
此外，如果進行控制，使霧化漿料451的噴量隨著漿料噴嘴441的上升而逐漸增加，則如圖22F所示，漿料452可以以均勻厚度涂覆于負極412的表面412a上。
圖22G中，在由漿料噴嘴441噴出霧化漿料451的狀態(tài)下，按箭頭③所示將漿料噴嘴441從位置P2移動至位置P3。
圖22H中，將漿料噴嘴441以最大高度H2在從位置P2到位置P3間的第二區(qū)域E2水平移動。因此，如圖22G所示，可使由漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451寬度W6略大于負極412的最大寬度W2。這樣，負極412的整個最大寬度區(qū)域可由霧化漿料451所覆蓋。
伸至引導架構件433內表面434的外側的霧化漿料451邊緣部位由回收槽435回收。
此外，以最大高度H2從漿料噴嘴441噴出霧化漿料451時，若進行控制，使霧化漿料451的噴量增至最大值，如圖22H所示，漿料452可以以均勻厚度涂覆于負極412的表面412a上。
圖22I中，在由漿料噴嘴441噴出霧化漿料451的狀態(tài)下，按箭頭④所示將漿料噴嘴441從位置P3移動至位置P4。
圖22J中，漿料噴嘴441按箭頭④所示，在從位置P3到位置P4的第三區(qū)域E3沿向下的曲線下降。漿料噴嘴441的末端441a隨漿料噴嘴441的移動從最大高度H2逐漸下降至最小高度H1。因此，如圖22I所示，由漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451的寬度W3可對應于負極412另一端的寬度(最小寬度)W1而逐漸縮小。這樣，霧化漿料451不會從負極412上多余地伸出。
伸至引導架構件433的內表面434外側的霧化漿料451邊緣部位由回收槽435回收。
此外，通過進行控制，隨著漿料噴嘴441的下降，使霧化漿料451的噴量逐漸減少，漿料452可以以均勻的厚度涂覆于負極412的表面412a上。
這樣使?jié){料噴嘴441到達位置P4，漿料452的涂覆過程結束。涂覆過程完成后，將涂覆于負極412的漿料452干燥，以形成離子交換膜414(參見圖19)。
上述的離子交換膜第一形成方法中，通過輸送正電荷至負極412和輸送負電荷至由漿料噴嘴441噴出的霧化漿料451，可防止?jié){料452的覆蓋不均勻。以此方式，可以形成如圖19所示均勻厚度的離子交換膜414。
此外，通過以引導架構件433限定漿料452的涂覆區(qū)域，可使?jié){料452簡單地形成所需形狀。因此可毫無困難地、很好地形成離子交換膜414的邊緣414a。
下面基于圖23說明離子交換膜的第二形成方法。
在實施如圖23所示第二形成方法的成型裝置中，與圖21所示實施第一形成方法的成型裝置430相同的部件使用同一符號表示。
如圖23所示的離子交換膜成型裝置460包括用于放置負極412的底座431、置于底座431上圍繞負極412的引導架構件463和置于引導架構件463之上的霧化器440。
引導架構件463具有內表面464，其形狀與負極412的邊緣412b相吻合。沿著內表面464形成回收槽465。配置與回收槽465相連的回收孔466。抽吸裝置(圖中未示出)經(jīng)由吸出孔466與回收槽465相連。內表面464由涂層所覆蓋。
通過將抽吸裝置連通回收槽465，回收槽465內收集的漿料可被吸出，漿料更容易回收。因此，可大大提高燃料電池生產(chǎn)率。
雖然前述第一和第二形成方法中說明的是將漿料452涂覆于負極412的例子，但在將漿料452涂覆于正極416上時，也可獲得同樣效果。
下面基于圖24至圖26說明實施離子交換膜的第三形成方法的成型裝置。在該第三離子交換膜成型裝置的說明中，與圖21所示實施第一形成方法的成型裝置430相同的部件使用同一符號。
第三離子交換膜成型裝置530包括用于放置如圖19所示八邊形負極412的底座431、置于底座431上圍繞負極412的引導架構件433和置于引導架構件433之上的噴霧裝置540。
底座431具有正電荷輸送裝置432，用于向負極412輸送正電荷。
引導架構件433包括沿負極412的邊緣部位412b(參見圖19)形成的八邊形內表面434；沿著內表面434形成的回收槽435；和為連通回收槽435而形成的回收孔436。內表面434被涂層(圖中未示出)所覆蓋。
噴霧裝置540具有配置成鋸齒形的多個漿料噴嘴541a～541j。對多個漿料噴嘴541a～541j的支撐使得這些噴嘴可按箭頭所示方向移動。每個漿料噴嘴541a～541j都從負電荷輸送裝置442處得到負電荷。即，負電荷輸送裝置442將負電荷輸送給從每個漿料噴嘴541a～541j噴出的漿料。
構造多個漿料噴嘴541a～541j，使其可在噴漿料的狀態(tài)和不噴漿料的狀態(tài)之間單獨切換。
參照圖25，多個漿料噴嘴541a～541j由例如作為第一漿料噴嘴到第十漿料噴嘴541a～541j構成，這些漿料噴嘴541a～541j布置成鋸齒形。
通過使第一到第十漿料噴嘴541a～541j中的第三到第八漿料噴嘴541c～541h在距離L1之上進入噴霧狀態(tài)，可覆蓋處于負極412中心的第一區(qū)域545。
通過使位于第三漿料噴嘴541c外側的第二漿料噴嘴541b和位于第八漿料噴嘴541h外側的第九漿料噴嘴541i在距離L2之上進入噴霧狀態(tài)，可覆蓋第一區(qū)域545外側的第二區(qū)域546、546。
而且通過使位于第二漿料噴嘴541b外側的第一漿料噴嘴541a和位于第九漿料噴嘴541i外側的第十漿料噴嘴541j在距離L3之上進入噴霧狀態(tài)，可覆蓋第二區(qū)域546、546外側的第三區(qū)域547、547。
圖26是表示圖24至圖25所示離子交換膜成型裝置的截面圖。通過如圖25所示放置成鋸齒形的第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出第一到第十噴霧狀漿料551，在負極412上涂覆漿料552。
其中，從第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料551在各自邊緣部位551a的涂覆量很小。鑒于此，為使邊緣部位551a的涂覆量與中央部位551b涂覆量相等，有必要補充邊緣部位551a的涂覆量。至此，作為補充邊緣部位551a涂覆量的方法，考慮使相鄰的噴霧狀漿料551、551的邊緣部位551a、551a之間交疊。
然而，當相鄰噴霧狀漿料551、551的邊緣部位551a、551a互相干擾時，這些互相干擾的邊緣部位551a、551a就會出現(xiàn)紊亂，并由此無法良好地涂覆漿料552。為避免這種情況，將第一到第十漿料噴嘴541a～541j放置成鋸齒形，以防止相鄰噴霧狀漿料551、551的邊緣部位551a、551a互相干擾。
即，在第一到第十漿料噴嘴541a～541j按箭頭所示方向移動之前的初始狀態(tài)下，如圖25所示，將第一到第十漿料噴嘴541a～541j放置成使從第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a不交疊的形式。
然而，當移動第一到第十漿料噴嘴541a～541j時，相鄰的噴霧狀漿料551、551之一首先涂覆于負極412的表面上，然后使其他噴霧狀漿料551的邊緣部位551a涂覆于已涂覆漿料552的邊緣部位，由此，相鄰噴霧狀漿料551、551的邊緣部位551a、551a可在交疊狀態(tài)下涂覆，而且相鄰噴霧狀漿料551、551中不會出現(xiàn)紊亂。
噴霧狀漿料551的邊緣部位551a在交疊狀態(tài)下涂覆且在相鄰的噴霧狀漿料551中沒有出現(xiàn)紊亂，這樣可使從第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的涂覆量與各個噴霧狀漿料551的中央部位551b的涂覆量相等。
即，設置相鄰漿料噴嘴541a至541j的間隔S1，使下述涂覆成為可能將從第二、第四、第六、第八和第十漿料噴嘴541b、541d、541f、541h和541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a與從第一、第三、第五、第七和第九漿料噴嘴541a、541c、541e、541g和541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a以S2的交疊量進行交疊。
下面基于圖27A至27J說明燃料電池離子交換膜的第三形成方法。
圖27A中，多邊形負極(電極)412由碳紙構成，將負極412配置于底座431上。然后，調整正電荷輸送裝置432以輸送正電荷至負極412。
圖27B中，配置引導架構件433使其圍繞負極412。然后，調整負電荷輸送裝置442以輸送正電荷至從第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料551(參見圖26)。
圖27C中，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j如箭頭①所示從待機位置P0水平移動至第一噴霧位置P1時，通過第三至第八漿料噴嘴541c到541h噴出噴霧狀漿料551(參見圖27D)。
圖27D是沿圖27C中的D-D線切開的截面圖。圖27D中，通過將第一到第十漿料噴嘴541a～541j水平移動使其越過負極412上方，將第三、第五和第七漿料噴嘴541c、541e和541g噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a在涂有第四、第六和第八漿料噴嘴541d、541f、541h噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的表面交疊涂覆。以此方式，可使由第三到第八漿料噴嘴541c～541h噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的涂覆量與各噴霧狀漿料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，為保持涂覆量相等，使第三到第八漿料噴嘴541c～541h噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a伸至引導架構件433內表面434的外側。這些伸出的邊緣部位551a由回收槽435回收。
圖27E中，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j按箭頭②所示從第一噴霧位置P1水平移至第二噴霧位置P2時，在第三至第八漿料噴嘴541c～541h仍然持續(xù)噴出噴霧狀漿料551(參見圖27F)的情況下，通過第二和第九漿料噴嘴541b和541i噴出噴霧狀漿料551。
圖27F是沿圖27E中的F-F線切開的截面圖。圖27F中，通過將第一到第十漿料噴嘴541a～541j繼續(xù)水平移動使其越過負極412上方，將第三、第五、第七和第九漿料噴嘴541c、541e、541g和541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a與涂有第二、第四、第六和第八漿料噴嘴541b、541d、541f和541h噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的表面交疊涂覆。以此方式，使第二到第八漿料噴嘴541b～541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的涂覆量與噴霧狀漿料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，為保持涂覆量相等，使第二到第九漿料噴嘴541b到541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a伸至引導架構件433內表面434的外側。這些伸出的邊緣部位551a由回收槽435回收。
圖27G中，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j按箭頭③所示從第二噴霧位置P2水平移至第三噴霧位置P3時，在第二至第九漿料噴嘴541b～541i仍然持續(xù)噴出噴霧狀漿料551(參見圖27H)的情況下，通過第一和第十漿料噴嘴541a、541j噴出噴霧狀漿料551。
圖27H是沿圖27G中的H-H線切開的截面圖。圖27H中，通過將第一到第十漿料噴嘴541a～541j繼續(xù)水平移動使其越過負極412上方，將第一、第三、第五、第七和第九漿料噴嘴541a、541c、541e、541g、541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a與涂有第二、第四、第六、第八和第十漿料噴嘴541b、541d、541f、541h、541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的表面交疊涂覆。以此方式，使第一到第十漿料噴嘴541a～541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的涂覆量與各噴霧狀漿料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，為保持涂覆量相等，使第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a伸至引導架構件433內表面434的外側。這些伸出的邊緣部位551a由回收槽435回收。
圖27I中，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j到達第四噴霧位置P4時，停止從第一和第十漿料噴嘴541a、541j噴出噴霧狀漿料551。這樣，第三區(qū)域547、547的涂覆結束。
接著，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j移至第五噴霧位置P5時，停止從第二和第九漿料噴嘴541b、541i噴出噴霧狀漿料551。這樣，第二區(qū)域546、546的涂覆結束。
然后，當?shù)谝坏降谑疂{料噴嘴541a～541j移至第六噴霧位置P6時，停止從第三到第八漿料噴嘴541c～541h噴出噴霧狀漿料551。這樣，第一區(qū)域545的涂覆結束。
隨著第一區(qū)域545涂覆的結束，向負極412涂覆漿料552的工序完成。該涂覆工序完成后，通過將涂覆于負極412的漿料552干燥，形成離子交換膜414(參見圖19)。
該第三制備方法中，通過使用多個漿料噴嘴541a～541j，當部分漿料噴嘴落在負極412邊緣部位412b之外時，已落在界外的漿料噴嘴不會噴出噴霧狀漿料551。以此方式，可防止將漿料552涂覆于負極412的邊緣部位412b之外的區(qū)域554(即引導架構件433的角落部位)，因此可以縮短涂覆后所需的回收漿料的時間。
由于噴霧狀漿料551通過多個漿料噴嘴541a～541j單獨噴霧和涂覆于負極412上，所以可單獨調節(jié)各個漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料的量。這樣，無需提高漿料噴嘴541a～541j的噴霧精度，僅通過單獨調節(jié)各個漿料噴嘴541a～541j噴出的噴霧狀漿料的量，即可相對容易地使?jié){料552表面平坦。
同時，通過輸送正電荷至負極層412和輸送負電荷至由第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出的漿料，可防止?jié){料552的涂覆不均勻。以此方式，如圖19所示可以以均勻厚度形成離子交換膜414。
而且，根據(jù)圖27C至27H的說明，在第一到第十漿料噴嘴541a～541j噴出噴霧狀漿料551的過程中，將第一、第三、第五、第七和第九漿料噴嘴541a、541c、541e、541g和541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a與涂有第二、第四、第六、第八和第十漿料噴嘴541b、541d、541f、541h和541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a的表面交疊涂覆。以此方式，使第一到第十漿料噴嘴541a到541j噴出的噴霧狀漿料551均勻涂覆于負極412上，從而使如圖19所示離子交換膜414厚度均勻。
此外，通過引導架構件433限定漿料552的涂覆區(qū)域(第一、第二和第三區(qū)域)545、546、547，可使?jié){料552簡單地形成所需形狀。因此可毫無困難地、很好地形成離子交換膜414的邊緣414a。
圖28A和圖28B是將本發(fā)明的燃料電池離子交換膜制備方法的特征與比較例進行比較的圖。圖28A表示比較例，圖28B表示作為實施例的漿料噴嘴541a～541i中的一部分漿料噴嘴541h、541i、541j。
圖28A所示的比較例中，漿料噴嘴561a～561c被置于直線563上，當噴霧狀漿料562通過漿料噴嘴561a～561c噴出時，相鄰的噴霧狀漿料562的邊緣部位562a間互相干擾，并在噴霧狀漿料562的邊緣部位562a上產(chǎn)生紊亂。因此，由于即使按箭頭所示移動漿料噴嘴561a～561c也不可能使?jié){料均勻涂覆，所以不可能使離子交換膜厚度均勻。
圖28B中，將漿料噴嘴541h、541i和541j布置成鋸齒形以使噴霧狀漿料551的邊緣部位551a不互相干擾。
當漿料噴嘴541h、541i和541j按箭頭⑤所示水平移動時，首先負極412表面由通過漿料噴嘴541h、541j噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a覆蓋，然后用漿料噴嘴541i噴出的噴霧狀漿料551的邊緣部位551a進行交疊涂覆。這樣，漿料552(參見圖27J)可均勻涂覆，可使圖19所示離子交換膜414厚度均勻。
圖29表示的是實施第四離子交換膜形成方法的成型裝置。在該第四形成方法的說明中，與圖26所示實施第三形成方法的成型裝置相同的部件使用同一符號的表示。
離子交換膜成型裝置570包括用于放置負極412的底座431、置于底座431上圍繞該負極412的引導架構件573和置于引導架構件573之上的噴霧裝置540。
導承框構件573具有內表面574，該內表面574沿著負極412的邊緣412b成型。沿著內表面574形成回收槽575。形成抽吸通道576以使其與回收槽575連通。通過圖中未示出的抽吸裝置，回收槽575內收集的漿料通過抽吸通道576被回收。內表面574上已涂覆有涂層。
通過以此方式將抽吸裝置連通回收槽575，由于回收槽575內收集的漿料可被吸出，因而漿料可更容易地得到回收。因此，可以進一步提高燃料電池的生產(chǎn)率。
雖然前述第三和第四離子交換膜形成方法中說明的是將漿料552涂覆于負極412的例子，但本發(fā)明不限于此，而是可選擇性地將漿料552涂覆于正極416。
圖30是表示具有本發(fā)明實施例8的燃料電池用電極的燃料電池的分解透視圖。
該實施例中燃料電池單元600由多個(在該例子中為2個)燃料電池611、611構成。燃料電池611具有負極板612、離子交換膜615、層疊于離子交換膜615上的正極板616、置于負極板612外側的負極側導流槽基板621和置于正極板616外側的正極側導流槽基板624。負極板612由負極基板613和負極(電極)614構成。正極板616由正極基板617和正極(電極)618構成。
多個(2個)該燃料電池611與它們之間的隔板626構成了燃料電池單元600。
通過將負極側導流槽基板621層疊至負極基板613，并使負極基板613覆蓋負極側導流槽基板621的導流槽621a，形成氫氣導流通道622。通過將正極側導流槽基板624層疊至正極基板617，并使正極基板617覆蓋正極側導流槽基板624的導流槽624a，形成氧氣導流通道625。
向氫氣導流通道622供給氫氣，氫分子(H2)被吸附于負極614中含有的催化劑上，同時向氧氣導流通道625供給氧氣，氧分子(O2)被吸附于正極618中含有的催化劑上。這樣，電子(e-)如箭頭所示流動從而產(chǎn)生電流。在產(chǎn)生電流的同時，由氫分子(H2)和氧分子(O2)得到產(chǎn)物水(H2O)。
圖31表示的是如圖30所示的負極板612和離子交換膜615的橫截面。負極板612通過在負極基板613上設置負極614而形成。從負極614邊緣部位伸出的負極基板613的表面部位613a被離子交換膜615覆蓋。
負極基板613是由碳制成的片狀碳紙，在其一側613b上設置有負極614。該負極614含有催化劑，氫分子(H2)被吸附于該催化劑上。
圖30所示正極基板617與負極基板613相同，也是由碳制成的片狀碳紙，在其一側上設置有正極618。該正極618含有催化劑，氧分子(O2)被吸附于該催化劑上。
通過將樹脂溶液(如HC聚合物溶液)涂覆于負極614和從負極614伸出的負極基板613的表面部位613a，然后干燥該樹脂溶液，獲得離子交換膜615。
下面基于圖32A至圖32G說明圖31所示離子交換膜的制備方法。
圖32A中，準備在負極基板(基板)613上涂覆負極(電極)614而制得的負極板(負極)612，將該負極板612置于底座631上。
圖32B中，通過將外側限制壁部件632沿負極板612邊緣放置，使外側限制壁部件632圍繞負極板612。該外側限制壁部件632由兩個互相分開的左右外側限制壁部件633、634構成。在用這兩個外側限制壁部件633、634圍起負極板612之后，將涂層635、635涂覆于外側限制壁部件633、634的內壁633a、634a。
然后，將噴霧裝置638置于負極板612上方(例如，負極基板613一端613c的上方)。之后，調整正電荷輸送裝置641使其輸送正電荷至負極板612，調整負電荷輸送裝置642使其輸送負電荷至噴霧裝置638的噴嘴639噴出的樹脂溶液。
圖32C中，通過噴霧裝置638的噴嘴639噴出含氣體的樹脂溶液。通過負電荷輸送裝置642向該霧化樹脂液體645施加負電荷。通過將噴霧裝置638按箭頭①所示狀態(tài)移動使其越過負極板612的表面，將樹脂溶液646涂覆于負極基板613的一端613c到負極614的一端614a之間的負極基板613的表面部位613a。
在涂覆樹脂溶液646時，通過施加負電荷于霧化樹脂液體645，施加正電荷于負極板612，這樣可使霧化樹脂液體645良好地涂覆于負極基板613的表面部位613a上且不出現(xiàn)不平整。
圖32D中，繼續(xù)按箭頭①所示移動噴霧裝置638。此時，霧化樹脂液體645的噴霧壓力作用于負極614一端614a的邊緣，但由于霧化樹脂液體645中含有氣體，所以霧化樹脂液體645的噴霧壓力可保持在低值。以此方式，當將樹脂溶液646涂覆于負極614一端614a的邊緣時，可使作用于負極614一端614a的邊緣的噴霧壓力即剪切力保持在很小的水平。這樣就防止了負極614的表面層614b上產(chǎn)生如現(xiàn)有技術中出現(xiàn)的水平移位。
圖32E中，繼續(xù)按箭頭①所示移動噴霧裝置638。此時，霧化樹脂液體645的噴霧壓力作用于負極614的表面層614b，但由于噴霧壓力垂直作用于負極614的表面層614b，所以防止了負極614的表面層614b產(chǎn)生如現(xiàn)有技術中出現(xiàn)的水平移位。
而且，當噴霧裝置638達到負極614的另一端614c時，霧化樹脂液體645的噴霧壓力作用于負極614的另一端614c的邊緣，但由于霧化樹脂液體645中含有氣體，霧化樹脂液體645的噴霧壓力可保持在低值。以此方式，在使樹脂溶液646涂覆于負極614的另一端614c的邊緣的過程中，作用于負極614另一端614c的噴霧壓力即剪切力可保持在很小的水平。因此，防止了負極614的表面層614b產(chǎn)生如現(xiàn)有技術中出現(xiàn)的水平移位。
圖32F中，通過將噴霧裝置638從負極614的一端614c移至負極基板613的一端613d，可將樹脂溶液646涂覆于處于負極614的一端614c與負極基板613的一端613d之間的表面部位613a。至此，涂布過程結束。
用外側限制壁部件632圍繞負極板612，這樣，當涂覆樹脂溶液646時，可使該樹脂溶液646沿著外側限制壁部件632形成。因此可很好地形成樹脂溶液646的邊緣，也就是圖31所示離子交換膜615的邊緣615a。
通過向負極板612施加正電荷和向噴霧裝置638噴出的霧化樹脂液體645施加負電荷，可防止樹脂溶液646的涂布不均勻，從而可以以均勻厚度涂覆樹脂溶液646。
如果僅按照圖32D箭頭①所示方向移動噴霧裝置638，這就很難以均勻厚度涂覆樹脂溶液646，通過向樹脂溶液646厚度薄的地方再次用噴霧裝置638進行噴霧，可以將樹脂溶液646涂覆成均勻厚度。
同時，作為另一種方法，通過調節(jié)從噴霧裝置638噴出的霧化樹脂液體645的傳送速度，也可以將樹脂溶液646涂覆成均勻厚度。例如，當涂覆所述霧化樹脂液體645時，若有些部位樹脂溶液646厚度較薄，通過向這些部位傳送更多的霧化樹脂液體645，可使樹脂溶液646以均勻厚度涂覆。
在涂覆步驟結束后，將噴霧裝置638從樹脂溶液646上方收回。然后，通過冷卻外側限制壁部件632(左右外側限制壁部件633、634)，使樹脂溶液646的邊緣部位646a冷卻并達到一定程度的凝固。在這種狀態(tài)下，如圖32G所示，將左右外側限制壁部件633、634按箭頭②所示從底座631上取走。
由于涂層635、635已涂覆于左右外側限制壁部件633、634的內壁633a、634a，所以可使其與樹脂溶液646之間保持良好的可分離性。
此外，通過使樹脂溶液646的邊緣部位646a冷卻并稍有凝固，則在取走外側限制壁部件632(左右外側限制壁部件633、634)時，可防止樹脂溶液646的邊緣部位646a變形。
盡管在離子交換膜第五形成方法中描述的是將噴霧裝置638從負極板612一端移至另一端的例子，但本發(fā)明并不限于此，此處也可通過將噴霧裝置638從噴霧裝置638中央(即負極614中央)向其各端移動或通過其他移動方法實現(xiàn)涂覆。
盡管在上述制備方法中描述的是將樹脂溶液646涂覆于負極板612的例子，但本發(fā)明并不限于此，將樹脂溶液646涂覆于正極板616也可獲得同樣效果。
在本發(fā)明燃料電池用電極的制備方法中，由于將離子交換膜制成溶液，而且用于制備正極層、離子交換膜和負極層的溶液分別都在未干燥狀態(tài)下進行涂覆，所以每種溶液都可滲透之前涂覆的膜，而且各層界面上不會出現(xiàn)密合性差的部分。同時，由于使用溶液涂覆離子交換膜，離子交換膜可以制得很薄，電極結構也可制作得盡可能小型化，從而有利于各種產(chǎn)業(yè)的燃料電池的制造。
權利要求
1.一種燃料電池用電極的制備方法，所述方法包括如下步驟將用于制備燃料電池正/負極中任一電極即第一電極的溶液涂覆于薄片上以形成第一電極層；在該電極層干燥之前，將用于制備離子交換膜的溶液涂覆于該電極層上，以形成離子交換膜；在該離子交換膜干燥之前，將用于制備另一電極即第二電極的溶液涂覆于該離子交換膜，以形成第二電極層；以及通過干燥所述第一電極層、所述第二電極層和所述離子交換膜進行固化的步驟。
2.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述干燥是在不施加負荷的情況下進行的。
3.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，在所述正/負極的電極層中，將負極層形成于所述離子交換膜的下方，將正極層形成于所述離子交換膜的上方。
4.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，以噴霧狀態(tài)涂覆用于制備正極的溶液。
5.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述的干燥是通過采用遠紅外線輻射從所述電極的內部加熱的方式來進行的，以便防止所述用于制備離子交換膜的溶液向各電極內的過量滲透。
6.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，在所述用于制備正/負極的溶液中，使用了汽化溫度比所述用于制備離子交換膜的溶液中使用的溶劑更高的溶劑。
7.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述第一電極層分為兩層，第一層處于遠離離子交換膜的一側，第二層處于接觸離子交換膜的一側，而且，所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率。
8.如權利要求7所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述第二層的孔隙率為70-75％。
9.如權利要求7所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述第一層的孔隙率為76-85％。
10.如利要求7所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，為使所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率，使涂覆用于制備所述第二層的溶液時采用的霧化能量高于涂覆用于制備所述第一層的溶液時的霧化能量。
11.如權利要求7所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，為使所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率，使用于制備所述第二層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑小于用于制備所述第一層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑，以便使所述用于制備第二層的溶液的密度大于所述用于制備第一層的溶液的密度。
12.如權利要求1所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，在形成所述第一電極層的步驟之前，該方法還包括形成第一電極側擴散層的步驟，然后在所述第一電極側擴散層未干燥的狀態(tài)下在該擴散層上層疊形成所述第一電極層；而且，在所述第二電極層形成之后，該方法還包括形成第二電極側擴散層的步驟，并且所述的第二電極側擴散層是在所述第二電極層未干燥的狀態(tài)下在該電極層上層疊形成的。
13.如權利要求12所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述第一電極側擴散層由正極側碳紙和正極側粘結層構成，所述第二電極側擴散層由負極側碳紙和負極側粘結層構成。
14.如權利要求13所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，用于制備所述正極側粘結層的溶液包含溶劑水和熔點不高于150℃的疏水性低熔點樹脂。
15.如權利要求14所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述低熔點樹脂為偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。
16.如權利要求14所述的燃料電池用電極的制備方法，其特征在于，在層疊所述正極側擴散層、正極層、離子交換膜、負極層和負極側擴散層的過程中，在負極側擴散層和正極側擴散層兩者之一的碳紙上形成第一粘結層，在所述第一粘結層上形成正/負極層之一作為第一電極層，在所述第一電極層上形成離子交換膜，在所述離子交換膜上形成另一電極層作為第二電極層，在所述第二電極層上形成第二粘結層，在所述第二的粘結層上配置第二碳紙；用于制備所述第二粘結層的溶液含有粘接性優(yōu)異的粘接性樹脂。
17.如權利要求16所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述粘接性樹脂為離子交換樹脂。
18.如權利要求13所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，用于制備所述正極側粘結層的溶液含有有機溶劑和可溶于該有機溶劑的疏水性樹脂。
19.如權利要求18所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，可溶于該有機溶劑的所述疏水性樹脂選自下列樹脂偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、含氟烯烴/烴類烯烴共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟環(huán)氧化合物。
20.如權利要求12所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，在形成第一擴散層之后且在該擴散層干燥之前，該方法還包括通過壓制該擴散層的上表面來將該擴散層上表面壓平的步驟。
21.如權利要求20所述的燃料電池用電極的制備方法，其中，所述第一擴散層是通過使用噴霧器將粘接劑涂覆于薄片上而制成的。
22.一種用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，該方法通過在燃料電池正/負極中的任一電極即第一電極上形成漿料來形成用于燃料電池的離子交換膜，該方法包括如下步驟將所述第一電極置于底座上，并向所述第一電極施加正電荷；向用于制備離子交換膜的所述漿料施加負電荷，通過漿料噴嘴以噴霧的形式噴出所述漿料，并使該漿料噴嘴在所述第一電極的上方移動，從而將噴霧狀漿料涂覆于所述電極；和干燥所述已涂覆的漿料。
23.如權利要求22所述的用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，其中，當所述第一電極為多邊形時，則在該電極的狹窄部位使所述漿料噴嘴靠近所述電極，并在該電極的寬闊部位將所述漿料噴嘴遠離所述電極。
24.一種用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，該方法通過在燃料電池多邊形正/負極中的任一電極即第一電極上形成漿料以形成用于燃料電池的離子交換膜，該方法包括如下步驟將所述第一電極置于底座上；將多個漿料噴嘴以鋸齒形配置，所述漿料噴嘴用于以噴霧的形式噴出制備所述離子交換膜用的漿料；使所述多個漿料噴嘴在所述第一電極的表面上方水平移動，同時將所噴出的漿料涂覆于所述第一電極的表面；和干燥所述已涂覆漿料。
25.如權利要求24所述的用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，其中，當所述多個漿料噴嘴在所述電極表面的上方移動時，從相鄰的漿料噴嘴噴出的漿料的邊緣部位是交疊的。
26.如權利要求24所述的用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，其中，在將所述第一電極置于底座上后，該方法還包括沿第一電極的邊緣配置引導架構件的步驟，其中所述漿料的涂覆區(qū)域由該引導架構件所限定。
27.如權利要求24所述的用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，其中，在以鋸齒形配置所述多個漿料噴嘴之后，該方法還包括向所述第一電極施加正電荷的步驟；以及向用于制備離子交換膜的所述漿料施加負電荷的步驟。
28.一種用于燃料電池的離子交換膜的制備方法，該方法通過在燃料電池正/負極中的任一電極即第一電極上形成漿料以形成用于燃料電池的離子交換膜，該方法包括如下步驟將所述第一電極置于底座上；沿所述第一電極的邊緣配置外側限制壁部件，并用該外側限制壁部件圍起所述第一電極；以及通過置于所述第一電極上方的噴霧裝置噴出含有氣體的樹脂溶液，并使該噴霧裝置在所述第一電極的表面上移動，從而將所述樹脂溶液涂覆在所述第一電極上。
29.一種燃料電池用電極，其包括燃料電池的正/負極兩方中的任一電極層即第一電極層，該電極層是通過將用于制備燃料電池正/負極中的任一電極即第一電極的溶液涂覆于一薄片上而形成的；離子交換膜，該離子交換膜是通過在所述第一電極層干燥之前，將用于制備離子交換膜的溶液涂覆于所述第一電極層上而形成的；以及燃料電池的正/負極兩方中的另一電極層即第二電極層，該電極層是通過在所述離子交換膜干燥之前，將用于制備另一電極即第二電極的溶液涂覆于所述離子交換膜上而形成的，其中，所述第一電極層由處于遠離所述離子交換膜一側的第一層和處于接觸所述離子交換膜一側的第二層構成，而且所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率。
30.如權利要求29所述的燃料電池用電極，其中，所述第二層的孔隙率為70-75％。
31.如權利要求29所述的燃料電池用電極，其中，所述第一層的孔隙率為76-85％。
32.如權利要求29所述的燃料電池用電極，其中，為使所述第二層的孔隙率低于所述第一層的孔隙率，使用于制備所述第二層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑小于用于制備所述第一層的溶液中含有的電極顆粒的粒徑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池用電極，該電極包括正極層(20)、負極層(19)和置于其間的離子交換膜(21)。在用于制備正極和負極之一的溶液干燥之前，將用于制備離子交換膜的溶液涂覆于其上，然后，在用于制備離子交換膜的溶液尚未干燥的狀態(tài)下涂覆用于制備另一電極的溶液。由于各層尚未干燥，因而可增強各層之間的密合性。通過將離子交換膜制成溶液，所涂覆的膜可制得很薄。
文檔編號H01M4/92GK1613162SQ02823818
公開日2005年5月4日 申請日期2002年11月26日 優(yōu)先權日2001年11月30日
發(fā)明者角谷修, 沖山玄, 鈴木孝, 柴田徹雄, 神山陽一, 渡邊秀樹, 伊達知子, 平野芳樹 申請人:本田技研工業(yè)株式會社