專利名稱：電解質(zhì)膜及其制造方法以及具有電解質(zhì)膜的膜電極組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制作燃料電池膜電極組件的電解質(zhì)膜、 一種制造 該電解質(zhì)膜的方法以及一種具有該電解質(zhì)膜的膜電極組件。
背景技術(shù)：
聚合物電解質(zhì)燃料電池是已知的一種才莫式的燃料電池。與其它模式的
燃料電池相比，由于聚合物電解質(zhì)燃料電池工作溫度低(大約80。C至 120。C)、成本低以及能夠制作得緊湊，它已被期望作為汽車動力源等。
如圖7中所示，聚合物電解質(zhì)燃料電池包括被夾持在具有燃料(氫) 氣體通路和空氣氣體通路的隔板51和51之間且作為主要組成元件的膜電 極組件(MEA)50,由此形成被稱為單電池的單燃料電池52。膜電極組件 50具有這樣一種結(jié)構(gòu)包括陽極側(cè)電極催化劑層56a和氣體擴(kuò)散層57a的 陽極側(cè)氣體擴(kuò)散電極58a被層疊在為離子交換膜的電解質(zhì)膜(固體聚合物 電解質(zhì)膜)55的一側(cè)，并且包括陰極側(cè)電極催化劑層56b和氣體擴(kuò)散層57b 的陰極側(cè)氣體擴(kuò)散電極58b被層疊在該電解質(zhì)膜的另 一側(cè)。
在組成燃料電池的膜電極組件中，電解質(zhì)膜被加濕，從而表現(xiàn)出質(zhì)子 傳導(dǎo)性。而且，由于組成電解質(zhì)膜的樹脂具有親水性磺酸基，大量的水被 包含在該膜中。因而，導(dǎo)致該膜的膨脹，結(jié)果是，導(dǎo)致在面內(nèi)方向上或在 膜厚度方向上+方向的尺寸改變。而且，當(dāng)含水量百分比由于停機(jī)等而降低 時，導(dǎo)致-方向的尺寸改變。在這些尺寸變化中，雖然通過以某種方式設(shè)計 單電池的結(jié)構(gòu)可以容易地控制收縮方向(-方向)的尺寸改變，但是控制十 方向的尺寸改變，特別是在面內(nèi)方向上的膨月似艮困難。
當(dāng)由于溶脹(膨脹)導(dǎo)致電解質(zhì)膜的這種尺寸改變時，在制造膜電極 組件時會引起褶皺，面內(nèi)行為引起的該膜的退化被加快，并且容易導(dǎo)致該 膜由于溶脹改變量的差異而在界面處從電極催化劑層上剝落或在電極催化
3劑層中產(chǎn)生裂紋。因而，很容易導(dǎo)致膜電極組件的性能或耐久性的退化。
為了補(bǔ)充電解質(zhì)膜的強(qiáng)度，已知一種通過諸如PTFE樹脂的增強(qiáng)部件免鑄 或?qū)訅旱碾娊赓|(zhì)膜。然而，不能說這種電解質(zhì)膜能充分抑制由于電解質(zhì)樹 脂的加濕而引起的膨脹。
為了適應(yīng)上述問題，專利文獻(xiàn)l提出了一種拉伸的電解質(zhì)膜。當(dāng)電解 質(zhì)膜的外圍(外周部)在高含水狀態(tài)下被固定時該電解質(zhì)膜被干燥。該文 獻(xiàn)利用了下面的原理即，當(dāng)電解質(zhì)膜的含水量很大時，在膜的干燥時其 面積被減小。如果膜的外圍在含水量大的狀態(tài)中被固定并接著進(jìn)行干燥處 理，與膜在未被固定的情況下被干燥的情形相比，在膜被向著其外圍拉動 的狀態(tài)下該膜被干燥，并且因此，膜的面積被相對地增加。因此，該文獻(xiàn) 中聲稱即使在發(fā)電期間當(dāng)電解質(zhì)膜的含水量百分比達(dá)到高水平時，由于膜 將不能比初始狀態(tài)膨脹更多，由于膨脹引起的對膜的破壞能夠被減輕。
專利文獻(xiàn)1:日本專利公凈艮(特開)No. 2001-35510A

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題
在組成燃料電池的膜電極組件中，在發(fā)電期間電解質(zhì)膜的含水量百分 比在面內(nèi)方向上不均勻，并且含水量的百分比分布在面內(nèi)方向上。例如， 燃料氣體入口側(cè)很容易被干燥，并且由此，使得電解質(zhì)膜的含水量很低。 由于生成的水而使得電解質(zhì)膜在出口側(cè)處于高含水狀態(tài)。專利文獻(xiàn)l中記 載的當(dāng)膜的外圍在含水量很大的狀態(tài)中被固定時經(jīng)受干燥處理的電解質(zhì) 膜，烘干后在面內(nèi)方向上具有均勻的膨脹率。當(dāng)這種電解質(zhì)膜被裝入實際 的膜電極組件中時，例如，在燃料氣體入口側(cè)和出口側(cè)之間引起的含水量 百分比的差異不能,皮合適地調(diào)節(jié)。結(jié)果是，在膜內(nèi)產(chǎn)生大應(yīng)力，導(dǎo)致了膜 電極組件性能退化或耐久性退化的原因。
本發(fā)明是鑒于上述情形而作出的，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種 在不含水狀態(tài)中在面內(nèi)方向上的膨脹率具有差異的電解質(zhì)膜，以使與實際
燃料電池的工作狀態(tài)相匹配，并提供該電解質(zhì)膜的制造方法。另一個目的
4是提供一種裝入了該電解質(zhì)膜的膜電極組件。 解決問題的方法
根椐本發(fā)明的電解質(zhì)膜是用來制造燃料電池膜電極組件的電解質(zhì)膜， 并且其特征在于在不含水狀態(tài)下在面內(nèi)方向上存在維持高含水狀態(tài)下的膨 脹率的區(qū)域和維持比高含水狀態(tài)下的膨脹率低的膨脹率的區(qū)域兩者。
而且在以上電解質(zhì)膜的情形中，當(dāng)用作燃料電池膜電極組件的結(jié)構(gòu)的 一部分時，在通過燃料電池發(fā)電時，在平面內(nèi)形成具有含水量百分比很高
(例如，100含水狀態(tài))的狀態(tài)的區(qū)域和具有含水量百分比相比于以上狀 態(tài)較低(例如，80%含水狀態(tài))的狀態(tài)的區(qū)域。然而，將要處于含水量百 分比較高的狀態(tài)的區(qū)域已經(jīng)在維持高含水狀態(tài)下的面內(nèi)方向上的膨脹率
(例如，15%)的狀態(tài)中經(jīng)受了干燥和固定處理，并且將要處于含水量百
向上的膨脹率(例如，10%)的狀態(tài)中經(jīng)受了干燥和固定處理。因此，當(dāng) 電解質(zhì)膜被加濕并接著使得處于濕潤狀態(tài)時，在所述兩個區(qū)域膜將不會溶 脹(膨脹)至超過不含水狀態(tài)下的水平。而且，膜將被穩(wěn)定在幾乎沒有內(nèi) 部應(yīng)力的狀態(tài)下。因此，電解質(zhì)膜能夠不受由于被單電池控制的膜邊緣部 分的膨脹等引起的應(yīng)力影響。
當(dāng)按照使用了電解質(zhì)膜的膜電極組件及燃料電池的規(guī)格和工作環(huán)境來 設(shè)置含水量百分比高的狀態(tài)的范圍和含水量百分比低的狀態(tài)的范圍時，通 常至少設(shè)置含水量百分比高的狀態(tài)以使得電解質(zhì)膜處于含水量為100%的 狀態(tài)。
在根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜中，維持高含水狀態(tài)下的膨脹率的區(qū)域和維 持膨脹率比高含水狀態(tài)下的膨脹率低的膨脹率的區(qū)域可以是膨脹率以漸進(jìn) 方式變化的區(qū)域，或者在所述兩個區(qū)域之間可以具有膨脹率逐漸降低的區(qū) 域。此外，維持膨脹率比高含水狀態(tài)下的膨脹率低的區(qū)域可以由多個具有 不同膨脹率的區(qū)域組成。作為替代，該區(qū)域可以是膨脹率連續(xù)降低的區(qū)域。
在根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜中，電解質(zhì)膜可以由電解質(zhì)樹脂(離子交換 樹脂)單獨制成。作為替代，它可以是增強(qiáng)型電解質(zhì)膜，即，浸漬了電解質(zhì)樹脂的多孔增強(qiáng)型膜(例如，多孔PTFE膜)。關(guān)于這種電解質(zhì)樹脂， 在需要時可以使用用于傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)燃料電池中的電解質(zhì)膜的電解質(zhì) 樹脂。作為另一個替代，它可以是具有離子導(dǎo)電性(離子傳導(dǎo)性)模式的 電解質(zhì)膜，該電解質(zhì)膜是通過例如對為缺乏離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)樹脂前體 的氟系電解質(zhì)進(jìn)行水解處理而獲得的。
本發(fā)明還公開了一種膜電極組件，其特征在于，當(dāng)組裝包括具有以上 電解質(zhì)膜作為它的結(jié)構(gòu)的一部分的燃料電池膜電極組件的燃料電池時，電 解質(zhì)膜被裝入膜電極組件內(nèi)，使得維持比高含水狀態(tài)下的膨脹率低的膨脹 率的區(qū)域位于燃料入口側(cè)，并且使得維持高含水狀態(tài)的區(qū)域位于出口側(cè)。
當(dāng)燃料電池發(fā)電時，組成膜電極組件的電解質(zhì)膜被加濕并接著被使得 處于濕潤狀態(tài)。在這種狀態(tài)中電解質(zhì)膜的含水量百分比在面內(nèi)方向上不均 勻在燃料入口側(cè)含水量百分比低(通常，含水量大約為80%;視工作狀 態(tài)而定)，并且含水量隨著向著出口側(cè)逐漸增加而達(dá)到大約100%。在根 據(jù)本發(fā)明的上述膜電極組件中，電解質(zhì)膜被裝入，使得維持比高含7jC狀態(tài) 下的膨脹率低的膨脹率的區(qū)域位于燃料入口側(cè)，并且使得維持高含水狀態(tài) 下的膨脹率的區(qū)域位于出口側(cè)。因而，當(dāng)電解質(zhì)膜在通過燃料電池發(fā)電時 被加濕并接著被使得處于濕潤狀態(tài)時，能夠防止電解質(zhì)膜在面內(nèi)方向上溶 脹(膨脹)至超過不含水狀態(tài)下的水平(它在膜厚度方向上膨脹)。而且， 電解質(zhì)膜被穩(wěn)定在幾乎沒有內(nèi)部應(yīng)力的狀態(tài)下。因此，在膜電極組件中， 能夠防止電解質(zhì)膜和電極之間界面剝離的發(fā)生。而且，由于受單電池控制 的膜邊緣部分的電解質(zhì)膜的膨脹引起的應(yīng)力被釋放，可以獲得長壽命和高 效率的膜電極組件。此外，與常規(guī)的情形相反，增強(qiáng)部件不需要被層壓來 抑制電解質(zhì)膜的尺寸改變，并且有可能在不必改變電解質(zhì)樹脂的分子結(jié)構(gòu) 的情況下抑制+側(cè)尺寸改變。
在上述膜電極組件中，在面內(nèi)方向上維持在不含水狀態(tài)下的電解質(zhì)膜 的膨脹率可以從入口側(cè)到出口側(cè)連續(xù)地改變。作為替代，膨脹率可以以漸 進(jìn)方式改變。
至于用于制造上述電解質(zhì)膜的方法，本發(fā)明也公開了一種電解質(zhì)膜制
6造方法，其特征在于包括以下步驟將不含水狀態(tài)下的電解質(zhì)膜加濕到高 含水狀態(tài)；用多個夾具片固定由于加濕而膨脹的電解質(zhì)膜的外圍；調(diào)整多 個夾具片之間的間隔，使得電解質(zhì)膜在干燥后具有所要求的膨脹率差異； 在不必改變夾具片的位置的情況下干燥調(diào)整后的電解質(zhì)膜。
在以上制造方法中使用的電解質(zhì)膜可以是在組成燃料電池的膜電極組 件中使用的通常的電解質(zhì)膜。在沒有外力積極作用在電解質(zhì)膜的條件下， 可以使用任意用來加濕電解質(zhì)膜的方法。例如，電解質(zhì)膜可以在靜止?fàn)顟B(tài) 下浸在水中，或者可以當(dāng)它在水中循環(huán)時被加濕。優(yōu)選在大約80。C至120。C 的溫度進(jìn)行加濕處理，該溫度為聚合物電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電溫度。
在本發(fā)明中，期望的是高百分比含水狀態(tài)為當(dāng)電解質(zhì)膜在膜電極組件 等內(nèi)使用時被預(yù)測的最大百分比含水狀態(tài)。優(yōu)選地，膜被加濕使得含水量 達(dá)到100%。由于這種加濕，電解質(zhì)膜至少在面內(nèi)方向上依賴含水量百分 比而膨脹。該膨脹為不可控的自然膨脹，且不同于由于外部應(yīng)力引起的主 動拉伸。因此，內(nèi)部應(yīng)力被顯著降低。
由于加濕而膨脹的電解質(zhì)膜的外圍被多個夾具片固定。固定后，如果 需要則調(diào)整各個夾具片之間例如在彼此垂直的X和Y方向上的間隔，以使 電解質(zhì)膜在干燥后具有所要求的膨脹率差異。在該調(diào)整完成時，在夾具片 之間的電解質(zhì)膜部分具有松弛性(slack)。夾具片在這種狀態(tài)下被固定， 并且電解質(zhì)膜經(jīng)受干燥處理，使得膜處于不含水狀態(tài)。由于干燥，膨脹的 電解質(zhì)膜在收縮方向上發(fā)生尺寸改變。結(jié)果，消除了夾具片之間的爭>弛性。
通過對在兩個軸向方向X和Y上夾具片之間的間隔的適當(dāng)控制，使電 解質(zhì)膜具有即使當(dāng)它被干燥后也維持當(dāng)膜被加濕到高含7jC狀態(tài)下時表現(xiàn)出 的膨脹率的區(qū)域(即，不會由于干燥而出現(xiàn)收縮的區(qū)域)和維持比高含水 狀態(tài)下的膨脹率低的膨脹率的區(qū)域(即，由于干燥到由夾具之間的間隔限 定的狀態(tài)而出現(xiàn)收縮的區(qū)域)兩者。如果必要，切割獲得的電解質(zhì)膜使得 它具有合適的尺寸，且如上所述它被用作實際的電解質(zhì)膜。
在用于制造上面的電解質(zhì)膜的方法中，可以使用包括缺乏離子導(dǎo)電性 的電解質(zhì)樹脂前體的電解質(zhì)膜(F系電解質(zhì)膜)作為電解質(zhì)膜。在這種情形中，將不含水狀態(tài)下的電解質(zhì)膜加濕到高含水狀態(tài)的步驟也用作為了使 電解質(zhì)樹脂前體具有離子導(dǎo)電性而進(jìn)行水解處理的步驟，并且因此可以提 高工作效率。此外，與常規(guī)的通過使電解質(zhì)樹脂前體具有離子導(dǎo)電性接著 干燥，電解質(zhì)膜,皮加濕和千燥以使它具有含水狀態(tài)下的膨脹率而制造的電 解質(zhì)膜相比，按照上述方法，根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜在進(jìn)行水解處理來使 電解質(zhì)膜前體具有離子導(dǎo)電性時被設(shè)置了含水狀態(tài)下的膨脹率。因此，由 于電解質(zhì)膜可以在組成電解質(zhì)膜的電解質(zhì)樹脂的流動性高的狀態(tài)具有含水 狀態(tài)下的膨脹率，所述與常規(guī)的電解質(zhì)膜相比，可以獲得具有降低的內(nèi)部 應(yīng)力的電解質(zhì)膜。
本發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，獲得了 一種不含水狀態(tài)下的膨脹率具有差異的電解質(zhì)膜， 如此來適應(yīng)實際燃料電池的工作狀態(tài)。因此，在通過燃料電池發(fā)電時，可 以防止由于電解質(zhì)膜的膨脹在膜內(nèi)產(chǎn)生大的應(yīng)力，且可以制造具有高性能 和耐久性的膜電極組件。


圖1示出如何獲得溶脹的電解質(zhì)膜。
圖2示出溶脹的電解質(zhì)膜被固定到夾具裝置上的狀態(tài)。 圖3示出各個夾具片之間的間隔被調(diào)整的狀態(tài)。
圖4a示出沿圖3的線Y-Y作的截面圖，且圖4b示出沿圖3的線X-X 作的截面圖。
圖5示出從經(jīng)過干燥處理后的電解質(zhì)膜中切割出電解質(zhì)膜的狀態(tài)。 圖6示意性示出包括采用了根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜的膜電極組件的燃 料電池。
圖7示出用于說明燃料電池(單電池)和膜電極組件的圖。 附圖標(biāo)記說明
l...電解質(zhì)膜；2…由于加濕而溶脹的電解質(zhì)膜；3…在加濕后被干燥 的根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜；10...熱7jc槽；20…夾具裝置；21(Al、 A2、 A3、
8Bl、 Cl、 C2、 C3和D1至D5)…夾具片
具體實施例方式
此后，將參考附圖基于實施例說明根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜及其制造方法。圖l示出如何獲得溶脹的電解質(zhì)膜，圖2示出溶脹的電解質(zhì)膜被固定在夾具裝置上的狀態(tài)。圖3示出各夾具片之間的間隔被調(diào)整的狀態(tài)。圖4a示出沿圖3的Y-Y線作的截面圖，圖4b示出沿圖3的X-X線作的截面圖。圖5示出從經(jīng)過干燥處理后的電解質(zhì)膜中切割出電解質(zhì)膜的狀態(tài)。圖6示意性示出包括使用了根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)膜的膜電極組件的燃料電池。
首先，準(zhǔn)備合適的電解質(zhì)膜1。雖然在本例中使用了一種F系電解質(zhì)膜(它是包括缺乏離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)樹脂前體的電解質(zhì)膜)，但也可以使用其它類型的電解質(zhì)膜。電解質(zhì)膜l^i文置在熱7JC槽中，并接著以無限制的方式維持該狀態(tài)直到它處于100%含水狀態(tài)。在此期間，水溫維持在80。C至12(TC的范圍內(nèi)，該溫度為聚合物電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電溫度。當(dāng)由于加濕而含水時，使得電解質(zhì)膜1成為膨脹的電解質(zhì)膜2，其在厚度方向上和面內(nèi)方向上均勻溶脹了依賴于含水量百分比的量。在此假設(shè)在100%含水狀態(tài)下面內(nèi)方向上的膨脹率為15%。而且，F(xiàn)系電解質(zhì)膜l的水解過程與加濕一同進(jìn)行，結(jié)果是，電解質(zhì)樹脂前體具有了離子導(dǎo)電性。
接著，處于溶脹狀態(tài)下的膨脹電解質(zhì)膜2的外圍用夾具裝置20的多個夾具片固定。在該例中，夾具裝置20包括在四條邊緣A、 B、 C、 D上的夾具片21。夾具片21中的每個在X方向和Y方向這兩個方向上可移動，且適合于能夠被固定在移動后的位置。
邊緣A和C為以平行方式彼此面對的兩條邊緣。在該例中，邊緣A上的三個夾具片21即A1、A2和A3以及邊緣C上的三個夾具片21即C1、C2和C3被設(shè)置成它們彼此相對。邊緣B和D也是以平行方式彼此面對的兩條邊緣。在該例中，邊緣B上的唯一長夾具片B1被設(shè)置成與邊緣D上的五個夾具片21即Dl-D5相對。
所有的夾具片21被移動到矩形的膨脹電解質(zhì)膜2的外圍能夠被夾持的
9位置；即，移動到四條邊緣能夠被夾持的位置，以便夾緊膨脹電解質(zhì)膜2。
圖2中示出了這種狀態(tài)。在該狀態(tài)中，電解質(zhì)膜1具有100%含水量，并且它在X和Y這兩個軸向方向(面內(nèi)方向)上表現(xiàn)出15%的膨脹。為了便于說明，夾具片Dl至D5的位置被認(rèn)為是yl，夾具片Al和Cl的位置為y2，夾具片A2和C2的位置為y3，且夾具片A3和C3的位置為y4。
接著，調(diào)整多個夾具片21之間的間隔以使干燥至不含水狀態(tài)的電解質(zhì)膜l具有所要求的具有不同膨脹率的區(qū)域。在該例中，如圖3中所示，在X方向上，夾具片Bl被固定且像它一樣夾具片A3和C3也被固定。因此，y4被認(rèn)為是X方向上的基準(zhǔn)位置。夾具片Al、 A2、 Cl、 C2以及Dl至D5向著基準(zhǔn)位置y4移動。例如，移動各個夾具片21以使干燥的電解質(zhì)膜l具有在yl和y2之間為-100/。、在y2和y3之間為-7。/。、以及在y3和y4之間為-3%的收縮。
接著，在Y方向上，固定夾具片A3、 Bl、 C3和D3。在該情形中夾具片D3的位置被認(rèn)為是Y方向上的中心(xO)。移動各個夾具片21以使千燥的電解質(zhì)膜1具有以下收縮關(guān)于x0與夾具片Cl及Al(即x3及x4 )之間的間隔為-7%;關(guān)于x0與夾具片C2及A2 (即x2及x5)之間的間隔為-3%;以及關(guān)于各個夾具片Dl至D5之間的間隔為-10。/。。
通過以這種方式移動各個夾具片21，如在沿圖3的Y-Y作的截面即圖4a中所示，膨脹電解質(zhì)膜2在由夾具片Dl至D5所夾持部分附近的各個夾具片之間具有松弛性。在X方向(圖3中的右側(cè))也引起松弛性。此夕卜，如圖4b中所示，膨脹電解質(zhì)膜2在沿圖3的X-X作的截面附近的各個夾具片之間也具有松弛性。
在維持這種狀態(tài)的同時，膨脹電解質(zhì)膜2經(jīng)受干燥處理。當(dāng)它被干燥時，膨脹電解質(zhì)膜2在X和Y方向收縮。然而，由于收縮量受到各個夾具片之間的間隔的限定，例如，在未進(jìn)行位置調(diào)整且通過夾具片Bl、 A3和C3夾持的區(qū)域y4附近，起初在面內(nèi)方向上15%的膨脹狀態(tài)在膜2被干燥后維持不變。另一方面，在受到夾具片Dl至D5限定的區(qū)域yl附近，由于各個夾具片已移動到允許-10%收縮的位置，所以區(qū)域yl收縮直到它到達(dá)15%-10%的膨脹狀態(tài)；即，在面內(nèi)方向上產(chǎn)生5%的膨脹狀態(tài)，且接著使膨脹電解質(zhì)膜2處于固定狀態(tài)(不含水狀態(tài))。類似地，導(dǎo)致在面內(nèi)方向上在區(qū)域y2附近為15%-7%=8%的膨脹，以及在區(qū)域y3附近為15%-3%=12%的膨脹，并且在這種狀態(tài)下，使膨脹電解質(zhì)膜2處于固定狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，膨脹電解質(zhì)膜2從夾具裝置20取下。如圖5中所示，,皮取下的電解質(zhì)膜3具有梯形形狀。
即，在干燥的不含水狀態(tài)下的電解質(zhì)膜3 (圖5)中，存在維持100含水狀態(tài)下15%膨脹率的區(qū)域3a和維持在面內(nèi)方向上較低含水狀態(tài)下的膨脹率(5%至12%)的區(qū)域3b兩者。
從電解質(zhì)膜3中切割出具有所要求尺寸的電解質(zhì)膜3，并且氣體擴(kuò)散電極4和4以一種常規(guī)已知的方法層疊在它的兩側(cè)，由此形成膜電極組件。接著膜電極組件被夾持在包括燃料氣體通路和空氣氣體通路的隔板5和5之間，由此形成燃料電池(單電池)。在這樣做時，膜電極組件被裝入使得維持比100%含水狀態(tài)下的15%膨脹率低的膨脹率(在上面例子中為5% )的區(qū)域位于燃料入口側(cè)，并且j吏得維持100%含水狀態(tài)下的15%膨脹率的區(qū)域3a位于出口側(cè)。
如上所述，當(dāng)燃料電池發(fā)電時，經(jīng)常是這樣的情形在燃料入口側(cè)的含水量百分比低(通常，大約80%含水量)，且隨著il步提高，在出口側(cè)含水量達(dá)到大約100%。然而，在上述膜電極組件中，關(guān)于電解質(zhì)膜3，由于最初使用了具有先前在燃料入口側(cè)膨脹使得適應(yīng)在80%含水狀態(tài)下的膨脹率(5% )的區(qū)域和先前在燃料出口側(cè)膨脹使得適應(yīng)在100%含水狀態(tài)下的15%膨脹率的區(qū)域的電解質(zhì)膜，即使當(dāng)電解質(zhì)膜被加濕并在通過燃料電池發(fā)電時處于濕潤狀態(tài)時，也能夠防止電解質(zhì)膜在面內(nèi)方向溶脹(膨脹)至超過不含水狀態(tài)下的水平。此外，電解質(zhì)膜被穩(wěn)定在當(dāng)溶脹時幾乎沒有內(nèi)部應(yīng)力的狀態(tài)下。
在上面的說明中，對電解質(zhì)膜進(jìn)行所要求的溶脹和干燥處理，并且氣體擴(kuò)散電極被層疊，由此形成膜電極疊層。然而，膜電極疊層可以提前制造且隨后進(jìn)行上面的溶脹和干燥處理。
權(quán)利要求
1. 一種用于制造燃料電池膜電極組件的電解質(zhì)膜，其中，在不含水狀態(tài)下在面內(nèi)方向上存在維持高含水狀態(tài)下的膨脹率的區(qū)域和維持比所述高含水狀態(tài)下的膨脹率低的膨脹率的區(qū)域兩者。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電解質(zhì)膜，其中高百分比含7jC狀態(tài)是所述電 解質(zhì)膜的含水量為100%的狀態(tài)。
3. —種燃料電池膜電極組件，所述燃料電池膜電極組件具有根據(jù)權(quán)利 要求1或2所述的電解質(zhì)膜作為其結(jié)構(gòu)的一部分，其中，當(dāng)燃料電池被組 裝時，所述電解質(zhì)膜被裝入所述膜電極組件內(nèi)，使得維持比所述高含水狀 態(tài)下的膨脹率低的膨脹率的所述區(qū)域位于燃料入口側(cè)，并且使得維持所述 高含水狀態(tài)下的膨脹率的所述區(qū)域位于出口側(cè)。
4. 一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)膜的方法，所述方 法包括以下步驟將不含水狀態(tài)下的電解質(zhì)膜加濕到高含水狀態(tài)； 用多個夾具片固定由于加濕而膨脹的所述電解質(zhì)膜的外圍； 調(diào)整多個夾具片之間的間隔，使得所述電解質(zhì)膜在干燥后具有所要求 的膨脹率差異；在不必改變所述夾具片的位置的情況下將所述調(diào)整后的電解質(zhì)膜干 燥到不含水狀態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制造電解質(zhì)膜的方法，其中所述電解質(zhì) 膜是包括缺乏離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)樹脂前體的電解質(zhì)膜，并且將不含水狀 態(tài)下的電解質(zhì)膜加濕到高含水狀態(tài)的所述步驟是進(jìn)行水解處理來為所述電 解質(zhì)樹脂前體提供離子導(dǎo)電性的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的目的是獲得一種電解質(zhì)膜，該電解質(zhì)膜能夠防止由于在燃料電池工作時的加濕引起膜的膨脹而在膜內(nèi)形成大應(yīng)力，并且允許制造出具有高性能和耐久性的膜電極組件。加濕電解質(zhì)膜(1)。使用多個夾具片(21)，調(diào)整在由于加濕而膨脹的電解質(zhì)膜(2)的外圍處的多個夾具片(21)之間的間隔，以使干燥后的電解質(zhì)膜具有所要求的膨脹率差異。在不必改變夾具片(21)的位置的情況下干燥調(diào)整后的電解質(zhì)膜，由此獲得電解質(zhì)膜(3)。通過這種方式，在電解質(zhì)膜(3)的面內(nèi)形成具有不同膨脹率的多個區(qū)域。
文檔編號H01M8/02GK101501907SQ200780029439
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者鈴木弘 申請人:豐田自動車株式會社