專利名稱：制造膜電極組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造燃料電池用膜電極組件的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池可以包括膜電極組件(此后稱為"MEA" ) 。 MEA包括電 解質(zhì)膜、形成在電解質(zhì)膜的每一側(cè)上的催化劑層以及形成在催化劑層上的 氣體擴(kuò)散層。在催化劑層中，利用經(jīng)由氣體擴(kuò)散層供應(yīng)到催化劑層的燃料 氣體和氧化氣體(反應(yīng)氣體)引起電化學(xué)反應(yīng)。因此，日本專利申請(qǐng)公布 No. 3-167752 (JP-A-3-167752)提出了一種MEA制造方法，其中催化劑層
被制得不平整，以增大催化劑層接觸氣體擴(kuò)散層的面積，從而促進(jìn)電化學(xué) 反應(yīng)。
在日本專利申請(qǐng)公布No. 3-167752所描述的MEA制造方法中，壓制 夾具用于使得催化劑層不平整，所述壓制夾具包括具有不平整表面的陰模 和與陰模配合的陽(yáng)模。板狀的催化劑層被置于陰模上，陽(yáng)模被壓到催化劑 層上，以使得催化劑層不平整。但是，在此制造方法中，當(dāng)陽(yáng)模被壓到催 化劑層上時(shí)，很大的力被施加到催化劑層上，因此，催化劑層可能被物理 損壞。極大的力被特別地施加到催化劑層的接觸陰模的凸起部分的末端的 部分。因此，催化劑層的該部分可能被損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制造包括不平整的催化劑層的MEA的方法，其可以 降低在制造不平整的催化劑層時(shí)損傷催化劑層的可能性。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種制造燃料電池用膜電極組件的方法，在所 述膜電極組件中，催化劑層被布置在電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層之間。所述方 法包括制造用于形成所述催化劑層的催化劑粉末；以及通過(guò)將所述催化
劑粉末不均勻地沉積在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少之一上， 形成所述催化劑層。
在該制造膜電極組件的方法中，通過(guò)將所述催化劑粉末不均勻地沉積 在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少之一上，形成所述催化劑層。 因此，可以降低在制造不平整的催化劑層時(shí)損傷催化劑層的可能性。
在上述方法中，所述燃料電池可以包括氣體供應(yīng)孔和氣體排放孔，供 應(yīng)到所述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供 應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò) 散層通過(guò)所述氣體排放孔排放。所述催化劑層可以被形成為在所述催化劑 層的垂直于沉積所述催化劑粉末的沉積方向的平面視圖中，所述催化劑層 的靠近所述氣體排放孔的氣體排放側(cè)區(qū)域中的單位面積內(nèi)的凹入部分的比 例大于催化劑層的靠近所述氣體供應(yīng)孔的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域中的單位面積內(nèi) 的凹入部分的比例。所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量。
于是，在催化劑層的凹入部分中，所述催化劑粉末的沉積量小于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量，從而排水性能較高。因此， 通過(guò)增大靠近氣體排放孔的可能發(fā)生溢流的區(qū)域中的單位面積內(nèi)的凹入部 分的比例，可以提高靠近氣體排放孔的區(qū)域中的排水性能，并抑制溢流的 發(fā)生。
在上述方法中，所述催化劑層可以通過(guò)如下方式形成沉積所述催化 劑粉末，使得所述催化劑層的凹入部分從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔的位置連續(xù)延 伸到對(duì)應(yīng)于氣體排放孔的位置，其中，供應(yīng)到所述燃料電池的反應(yīng)氣體通 過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化 劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層通過(guò)所述氣體排放孔排放。 所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述催化劑層中的所述催 化劑粉末的平均沉積量。
于是，在催化劑層的凹入部分中，所述催化劑粉末的沉積量小于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量，因此氣體容易流動(dòng)。因此， 通過(guò)形成凹入部分使得凹入部分從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔的位置連續(xù)延伸到對(duì)
應(yīng)于氣體排放孔的位置，可以將反應(yīng)氣體擴(kuò)散到整個(gè)MEA中。
在上述方法中，可以通過(guò)利用供所述催化劑粉末通過(guò)的篩子沉積所述 催化劑粉末來(lái)形成所述催化劑層。所述篩子可以包括供所述催化劑粉末通 過(guò)的粉末通過(guò)區(qū)域，所述粉末通過(guò)區(qū)域包括具有預(yù)定透過(guò)性的高透過(guò)性部 分以及低透過(guò)性部分，所述低透過(guò)性部分的透過(guò)性低于所述高透過(guò)性部分 的所述透過(guò)性。通過(guò)所述低透過(guò)性部分的所述催化劑粉末可以形成所述催 化劑層的凹入部分。所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量。
在上述方法中，所述燃料電池可以包括氣體供應(yīng)孔和氣體排放孔，供 應(yīng)到所述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供 應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò) 散層通過(guò)所述氣體排放孔排放。所述催化劑層可以利用掩模形成，所述掩 模包括多個(gè)供所述催化劑粉末通過(guò)的孔隙。所述孔隙可以以使得孔隙率從 所述掩模的一端到所述掩模的另一端降低的方式布置。所述掩模的所述一 端可以布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少之一的氣體供應(yīng)側(cè) 區(qū)域的上方。所述氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域被靠近所述氣體供應(yīng)孔布置。所述掩模 的所述另一端可以布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的所述至少之 一的氣體排放側(cè)區(qū)域的上方。所述氣體排放側(cè)區(qū)域被靠近所述氣體排放孔 布置。通過(guò)所述孔隙的所述催化劑粉末可以形成所述催化劑層的凸起部 分。每一個(gè)所述凸起部分中的所述催化劑的沉積量等于或者大于所述催化 劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量。
在上述方法中，所述燃料電池可以包括氣體供應(yīng)孔和氣體排放孔，供 應(yīng)到所述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供 應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò) 散層通過(guò)所述氣體排放孔排放。所述催化劑層可以被形成為在整個(gè)催化劑 層中單位面積內(nèi)的凹入部分的比例是均一的，并且在所述催化劑層的垂直 于沉積所述催化劑粉末的沉積方向的平面視圖中，在所述催化劑層的靠近 所述氣體排放孔的氣體排放側(cè)區(qū)域中彼此相鄰的凸起部分之間的距離大于 在所述催化劑層的靠近所述氣體供應(yīng)孔的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域中彼此相鄰的凸起部分之間的距離。所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量，并且每一個(gè)所述凸起部分中 的所述催化劑的沉積量等于或者大于所述平均沉積量。
在上述方法中，所述催化劑層可以利用掩模形成，所述掩模包括多個(gè) 供所述催化劑粉末通過(guò)的孔隙。所述孔隙可以以使得孔隙率在整個(gè)掩模中 是均一的并且彼此相鄰的所述孔隙之間的距離從所述掩模的一端到所述掩 模的另一端增大的方式布置。所述掩模的所述一端可以布置在所述電解質(zhì) 膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少之一的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域的上方。所述氣體供 應(yīng)側(cè)區(qū)域被靠近所述氣體供應(yīng)孔布置。所述掩模的所述另一端可以布置在 所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的所述至少之一的氣體排放側(cè)區(qū)域的上 方。所述氣體排放側(cè)區(qū)域被靠近所述氣體排放孔布置。通過(guò)所述孔隙的所 述催化劑粉末可以形成所述催化劑層的凸起部分。每一個(gè)所述凸起部分中 的所述催化劑的沉積量等于或者大于所述催化劑層中的所述催化劑粉末的 平均沉積量。
于是，通過(guò)將催化劑粉末通過(guò)篩子來(lái)沉積，可以將催化劑粉末不均勻 地沉積在電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層中的至少之一上。


參考附圖，根據(jù)以下對(duì)示例性實(shí)施方式的說(shuō)明，本發(fā)明的上述和其他 特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，在附圖中，相似標(biāo)號(hào)用于表示相似元件，并且其 中
圖1是示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的MEA制造方法的過(guò)程的流程圖； 圖2示意性地示出了圖1所示的流程圖的步驟S105中的工藝的詳細(xì) 過(guò)程；
圖3A和圖3B示出了步驟S110所使用的篩子和掩模； 圖4A示意性地示出了利用圖3A所示的篩子Sl形成催化劑粉末300 的沉積物的方法，并且圖4B示意性地示出了利用圖3A所示的篩子Sl和 圖3B所示的掩模Ml形成催化劑粉末300的沉積物的方法； 圖5示出了通過(guò)步驟S115中的工藝形成的MEA 90;
圖6示出了包括MEA 90的燃料電池的構(gòu)造；
圖7示出了 MEA 90沿圖6中的線VI-VI所取的橫截面；
圖8A示意性地示出了根據(jù)第二實(shí)施方式的掩模Mla，并且圖8B示意 性地示出了利用掩模Mla形成的MEA 90a;
圖9A示意性地示出了根據(jù)第三實(shí)施方式的掩模Mlb，并且圖9B示 意性地示出了利用掩模Mlb形成的MEA 90b;
圖10A示意性地示出了根據(jù)第四實(shí)施方式的掩模Mlc，并且圖IOB示 意性地示出了利用掩模Mlc形成的MEA 90c;
圖ll示出了根據(jù)第五實(shí)施方式的篩子；以及
圖12示出了在實(shí)施例中制造的燃料電池的I-V特性("I"表示電流 密度，"V"表示電壓)以及在對(duì)比例中制造的燃料電池的I-V特性。
具體實(shí)施例方式
下面將描述第一實(shí)施方式。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的 MEA制造方法的過(guò)程的流程圖。在步驟S105中，制造其中擔(dān)載催化劑的 粒子和電解質(zhì)被混合的復(fù)合粉末(催化劑粉末)，作為用于形成催化劑層 的粉末。
圖2示意性地示出了圖1所示的流程圖的步驟S105中的工藝的詳細(xì) 過(guò)程。在圖2中的實(shí)例中，用作催化劑擔(dān)載粒子的擔(dān)載鉑的碳30 (鉑50 wt%)和用作電解質(zhì)20的NafionTM被添加到混合溶劑中?；旌先軇┦撬?和乙醇的混合溶劑。擔(dān)載鉑的碳30和Nafion在混合溶劑中混合和擴(kuò)散， 從而獲得催化劑漿料200。然后，利用噴霧噴霧干燥器410，通過(guò)噴霧干 燥方法對(duì)催化劑漿料200進(jìn)行噴霧和干燥，來(lái)制造催化劑粉末300。更具 體地，利用噴霧干燥器410中包括的霧化器414將催化劑漿料200噴霧到 腔412中，被噴霧的催化劑漿料200的霧與干燥空氣接觸，于是催化劑漿 料200被瞬間干燥，從而獲得催化劑粉末300。這樣獲得的催化劑粉末 300是擔(dān)載鉑的碳30和電解質(zhì)20的復(fù)合粉末。
在(圖1的流程圖中的)步驟S110中，通過(guò)將在步驟S105中制造的 催化劑粉末不均勻地沉積在電解質(zhì)膜上，來(lái)形成催化劑層。更具體地，催
化劑粉末300 (圖2所示)由靜電過(guò)篩通過(guò)篩子和掩模落在電解質(zhì)膜上，
從而將催化劑粉末300沉積在電解質(zhì)膜上。例如，由DuPont制造的 NafionTM、 由Asahi Kasei Corporation帝!j造的AciplexTM或者由Asahi Glass Co.， Ltd制造的FlemionTM可以用作電解質(zhì)膜。
圖3A示出了在步驟S110中使用的篩子Sl。圖3A示出了篩子Sl的 供催化劑粉末300通過(guò)的區(qū)域(此后，供催化劑粉末通過(guò)的區(qū)域可以稱為 "粉末通過(guò)區(qū)域")。在篩子Sl中，大量的小孔隙(沒(méi)有示出)被形成 在整個(gè)粉末通過(guò)區(qū)域中，其中在整個(gè)粉末通過(guò)區(qū)域中孔隙率是均一的。諸 如尼龍的合成織物或者例如通過(guò)紡織諸如不銹鋼絲的金屬絲制造的金屬織 物可以用作篩子S1的材料。
圖3B示出了在步驟S110中使用的掩模M1。圖3B示出了掩模M1的 粉末通過(guò)區(qū)域。多個(gè)孔隙12以恒定的間隔布置在掩模M1中?？紫毒哂邢?同的尺寸?？紫堵蕿?0%。孔隙12之外的部分是掩蔽部分11。因?yàn)樵谘?蔽部分11中沒(méi)有形成孔隙，所以催化劑粉末不會(huì)通過(guò)掩蔽部分11。例 如，具有孔隙的合成樹脂板構(gòu)件可以用作掩模Ml。
圖4A示意性地示出了利用圖3A所示的篩子Sl形成催化劑粉末300 的沉積物的方法。下面將描述將催化劑粉末300沉積在電解質(zhì)膜60的陰 極側(cè)的表面上的情形。在(圖1的流程圖中的)步驟S110中，首先，由 靜電過(guò)篩使用篩子Sl將催化劑粉末300沉積在電解質(zhì)膜60的表面上。更 具體地，高電壓被施加到被與電解質(zhì)膜60分開布置的篩子Sl上，以在篩 子Sl和電解質(zhì)膜60之間產(chǎn)生靜電場(chǎng)，并且催化劑粉末300朝向篩子Sl 降落。因?yàn)殪o電場(chǎng)被產(chǎn)生，所以催化劑粉末300通過(guò)篩子Sl降落在充當(dāng) 反電極的電解質(zhì)膜60的表面上。這樣，具有基本均勻厚度的催化劑粉末 300的層72a被形成在電解質(zhì)膜60上。
圖4B示意性地示出了利用圖3A所示的篩子Sl和圖3B所示的掩模 Ml形成催化劑粉末300的沉積物的方法。在圖4A所示的層72a被形成在 電解質(zhì)膜60上之后，催化劑粉末300被進(jìn)一步利用篩子S1 (圖3A所示) 和掩模M1 (圖3B所示)通過(guò)靜電過(guò)篩局部沉積在層72a上。更具體地， 掩模Ml (圖3B所示)被布置在篩子Sl和帶有層72a的電解質(zhì)膜60之
間，然后，催化劑粉末300通過(guò)靜電過(guò)篩從篩子Sl上方朝向電解質(zhì)膜60
(即，朝向?qū)?2a)降落。因此，催化劑粉末300僅僅通過(guò)掩模Ml的孔 隙12降落。結(jié)果，催化劑粉末300的層72b被形成在層72a上。在層72b 中，在與孔隙12相對(duì)應(yīng)的位置上形成催化劑粉末300的基本錐形的沉積 物。因此，由層72a和72b構(gòu)成的催化劑層(陰極側(cè)催化劑層)72被形成 在電解質(zhì)膜60上。陰極側(cè)催化劑層72具有不均一的厚度。此后，陰極側(cè) 催化劑層72中的催化劑粉末300的錐形沉積物被稱為催化劑凸起部分 71a，催化劑凸起部分71a以外的部分被稱為催化劑凹入部分71b。換句話 說(shuō)，催化劑凸起部分71a是其中催化劑粉末300的沉積量等于或大于陰極 側(cè)催化劑層72中的催化劑粉末300的平均沉積量的部分。催化劑凹入部 分71b是其中催化劑粉末300的沉積量小于陰極側(cè)催化劑層72中的催化劑 粉末300的平均沉積量的部分。同樣在陽(yáng)極側(cè)，以與形成陰極側(cè)催化劑層 72的方式相同的方式形成催化劑層(陽(yáng)極側(cè)催化劑層)。上述篩子Sl和 掩模M1可以被認(rèn)為是根據(jù)本發(fā)明的篩子。
在(圖1所示的流程圖中的)步驟S115中，預(yù)先制備的氣體擴(kuò)散層 被布置在步驟S110中形成的催化劑層上，并且執(zhí)行熱壓。由此，MEA被 形成。
圖5示出了由步驟S115中的工藝形成的MEA 90。圖5僅僅示出了 MEA 90的陰極側(cè)。本實(shí)施方式中使用的陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82通過(guò)將防水 糊料涂敷在用作基體材料的碳紙上來(lái)形成。防水糊料包含用作防水材料的 氟樹脂(例如，聚四氟乙烯(PTFE))。陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82包括擴(kuò)散 凸起部分81a和擴(kuò)散凹入部分81b。就是說(shuō)，陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82是不平 整的層。例如，不平整的陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82按如下形成。防水糊料以 使得防水糊料具有預(yù)定的均一厚度的方式涂敷在用作基體材料的碳紙上。 然后，在充當(dāng)擴(kuò)散凹入部分81b的部分被掩模覆蓋之后，進(jìn)一歩涂敷防水 糊料，然后去除掩模。由此，形成不平整的陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82。
當(dāng)陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82被置于陰極側(cè)催化劑層72上時(shí)，陰極側(cè)氣體 擴(kuò)散層82中的擴(kuò)散凸起部分81a面對(duì)陰極側(cè)催化劑層72中的催化劑凹入 部分71b。擴(kuò)散凹入部分81b面對(duì)陰極側(cè)催化劑層72中的催化劑凸起部分
71a。因此，當(dāng)陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82被置于陰極側(cè)催化劑層72上方，陰極 側(cè)催化劑層72中的陰極凸起部分71a和凹入部分71b分別與陰極側(cè)氣體擴(kuò) 散層82中的擴(kuò)散凹入部分81b和擴(kuò)散凸起部分81a配合。同樣在陽(yáng)極側(cè)， 氣體擴(kuò)散層以與形成陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82的方式相同的方式形成在催化 劑層上。
在上述的MEA制造方法中，通過(guò)沉積催化劑粉末300形成不平整的 催化劑層，使得催化劑層具有不均一的厚度。因此，可以減小在制造不平 整的催化劑層時(shí)損傷催化劑層的可能性。
圖6示出了包括MEA 90的燃料電池的構(gòu)造。利用由上述方式制造的 MEA 90制造包括MEA 90的板50 (此后稱為"MEA板50")。燃料電 池700通過(guò)交替層疊MEA板50和分離器40來(lái)形成。分離器40是包括三 個(gè)金屬板的三層分離器。更具體地，分離器40包括陰極側(cè)板41，陽(yáng)極側(cè) 板43，以及布置在陰極側(cè)板41和陽(yáng)極側(cè)板43之間的中間板42。在板41 至43和MEA板50中的每一個(gè)中，在相同的位置處形成孔。通過(guò)層疊具 有孔的MEA板50和具有孔的分離器40，形成氧化氣體供應(yīng)集流管71 la 和氧化氣體排放集流管711b。在陰極側(cè)板41中，鄰接陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層 82的氣體供應(yīng)孔45被形成在較靠近氧化氣體供應(yīng)集流管71 la的位置處。 類似地，鄰接陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82的氣體排放孔46被形成在較靠近氧化 氣體排放集流管71 lb的位置處。氧化氣體供應(yīng)通道47被形成在中間板42 中。氧化氣體供應(yīng)通道47被連接到氧化氣體供應(yīng)集流管711a，并且通向 氣體供應(yīng)孔45。在中間板42中，還形成氧化氣體排放通道48。氧化氣體 排放通道48被連接到氧化氣體排放集流管711b，并通向氣體排放孔46。
用作化劑的空氣通過(guò)氧化氣體供應(yīng)集流管711a供應(yīng)，并且流入中間 板42中的氧化氣體供應(yīng)通道47。然后，空氣通過(guò)氣體供應(yīng)孔45供應(yīng)到陰 極側(cè)氣體擴(kuò)散層82。供應(yīng)到陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82的空氣在MEA 90中擴(kuò) 散，并用于陰極側(cè)催化劑層72中的電化學(xué)反應(yīng)。沒(méi)有在電化學(xué)反應(yīng)中使 用的空氣通過(guò)氣體排放孔46和氧化氣體排放通道48排放到氧化氣體排放 集流管711b。此時(shí)，由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水與空氣一起被排放。
圖7是示出了沿圖6中的線VI-VI所取的MEA 90的截面的視圖。在
MEA 90中，在靠近陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82和陰極側(cè)催化劑層72之間的邊 界的位置處所取的MEA 90的截面中，陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82從對(duì)應(yīng)于氣體 供應(yīng)孔45的位置連續(xù)延伸到對(duì)應(yīng)于氣體排放孔46的位置。因此，在MEA 90中，用作氧化氣體的空氣也擴(kuò)散到陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82和陰極側(cè)催化 劑層72之間的邊界附近的區(qū)域中。因此，氣體被擴(kuò)散到整個(gè)MEA90中。 陽(yáng)極側(cè)的構(gòu)造與陰極側(cè)的構(gòu)造相似。因此，燃料氣體被擴(kuò)散到整個(gè)MEA 90中。
下面將描述第二實(shí)施方式。圖8A示出了第二實(shí)施方式中的掩模 Mla。圖8B示意性地示出了利用圖8A所示的掩模Mla構(gòu)造的MEA 90a。圖8B示出了與圖7相似地沿線VI-VI (參考圖6)所取的MEA 90a
在用于形成燃料電池時(shí)的截面。在第一實(shí)施方式中，掩模Ml的多個(gè)孔隙 12 (圖3B所示)以恒定間隔布置。在任意區(qū)域平均孔隙率基本相同。但 是，在第二實(shí)施方式的掩模Mla中，多個(gè)孔隙12不以恒定間隔布置。平 均孔隙率根據(jù)掩模Mla的區(qū)域而變化。第二實(shí)施方式中的構(gòu)造的其它部分 與第一實(shí)施方式的相同。
更具體地，如圖8A所示，在區(qū)域XI中的每單位面積的孔隙12數(shù)量 大于區(qū)域X2中的，區(qū)域X3中的每單位面積的孔隙12數(shù)量小于區(qū)域X2 中的。因此，平均孔隙率在區(qū)域X1中較高(例如，70%)，在區(qū)域X2中 居中(例如，50%)，在區(qū)域X3中較低(例如，30%)。當(dāng)使用具有此 構(gòu)造的掩模Mla時(shí)，可以獲得與第一實(shí)施方式中所獲得的相同的有利效 果。
當(dāng)利用采用掩模Mla形成的陰極側(cè)催化劑層72制造MEA 90a (如圖 8B所示)時(shí)，每單位面積的催化劑凸起部分71a的數(shù)量根據(jù)陰極側(cè)催化劑 層72中的區(qū)域而變化。更具體地，每單位面積的催化劑凸起部分71a數(shù)量 在靠近氣體供應(yīng)孔45的區(qū)域Yl中較大，在區(qū)域Y2中居中，在靠近氣體 排放孔46的區(qū)域Y3中較少。在此情況下，在陰極側(cè)催化劑層72的沿垂 直于催化劑粉末的沉積方向的平面視圖(即，垂直于X軸的平面)中，每 單位面積中的催化劑凹入部分71b的比例在區(qū)域Yl中較低，在區(qū)域Y2中 居中，在區(qū)域Y3較高。因此，當(dāng)陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82被布置在陰極側(cè)催
化劑層72上時(shí)，陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82的平均厚度在區(qū)域Yl中較小，在 區(qū)域Y2中居中，在區(qū)域Y3中較大。陰極側(cè)催化劑層72中由電化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生的水被集中在靠近氣體排放孔46的區(qū)域Y3中，因此，可能在區(qū)域 Y3中發(fā)生溢流。但是，因?yàn)殛帢O側(cè)氣體擴(kuò)散層82的平均厚度在區(qū)域Y3 中較大，所以在區(qū)域Y3中的排水性能較高，因此抑制了溢流的發(fā)生。
下面將描述第三實(shí)施方式。圖9A示出了第三實(shí)施方式中的掩模 Mlb。圖9B示意性地示出了利用圖9A所示的掩模Mlb構(gòu)造的MEA 90b。圖9B示出了與圖7相似地沿線VI-VI (參考圖6)所取的MEA 90b 在用于形成燃料電池時(shí)的截面。在第一實(shí)施方式中，掩模Ml的多個(gè)孔隙 12 (圖3B所示)具有相同的尺寸。但是，在第三實(shí)施方式的掩模Mlb 中，孔隙12的尺寸根據(jù)掩模Mlb中的區(qū)域而變化。第三實(shí)施方式中的構(gòu) 造的其它部分與第一實(shí)施方式的相同。
更具體地，區(qū)域Xll中的孔隙112a的尺寸較小，區(qū)域X12中的孔隙 112b的尺寸居中，區(qū)域X13中的孔隙112c的尺寸較大。區(qū)域X11到X13 中的孔隙率相同。在此情況下，孔隙之間的距離在區(qū)域X11到X13之間變 化。更具體地，孔隙之間的距離在區(qū)域Xll中較短，在區(qū)域X12中居中， 在區(qū)域X13中較長(zhǎng)。當(dāng)使用具有此構(gòu)造的掩模Mlb時(shí)，可以獲得與第一 實(shí)施方式中所獲得的相同的有利效果。
當(dāng)利用采用掩模Mlb形成的陰極側(cè)催化劑層72制造MEA 90b (圖 9B所示)時(shí)，催化劑凸起部分71a之間的距離根據(jù)陰極側(cè)催化劑層72中 的區(qū)域而變化。更具體地，催化劑凸起部分71a之間的距離在靠近氣體供 應(yīng)孔45的區(qū)域Yll中較短，在區(qū)域Y12中居中，在區(qū)域Y13中較長(zhǎng)。在 區(qū)域Y13中，因?yàn)榇呋瘎┩蛊鸩糠?1a之間的距離較長(zhǎng)，空氣和所產(chǎn)生的 水容易在催化劑凸起部分71a之間流動(dòng)。因此，可以提高靠近氣體排放孔 46的區(qū)域中的排水性能，從而抑制溢流的發(fā)生。
下面將描述第四實(shí)施方式。圖10A示出了第四實(shí)施方式中的掩模 Mlc。圖10B示意性地示出了利用圖10A所示的掩模Mlc構(gòu)造的MEA 90c。圖IOB示出了與圖7相似地沿線VI-VI (參考圖6)所取的MEA 90c 在用于形成燃料電池時(shí)的截面。第四實(shí)施方式中的掩模Mlc與第一實(shí)施方式中的掩模Mla的不同之處在于每個(gè)孔隙是矩形的。第四實(shí)施方式中的掩 模Mlc與第一實(shí)施方式中的掩模Mla的不同之處還在于，在利用掩模 Mlc制造的MEA 90c中，氣體擴(kuò)散層在催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間的邊 界附近的位置處所取的截面中不是連續(xù)延伸的。第四實(shí)施方式中的構(gòu)造的 其它部分與第一實(shí)施方式的相同。
更具體地，掩模Mlc的孔隙212是矩形的，并以沿Y反向的預(yù)定間 隔布置。當(dāng)使用具有此構(gòu)造的掩模Mlc時(shí)，可以獲得與上述實(shí)施方式和實(shí) 施例中所獲得的相同的有利效果。
當(dāng)利用采用掩模Mlc形成的陰極側(cè)催化劑層72制造MEA 90c (圖 IOB所示)時(shí)，在陰極側(cè)催化劑層72中，催化劑凸起部分71a和催化劑凹 入部分71b沿Y方向交替布置。當(dāng)孔隙212沿Z方向的長(zhǎng)度長(zhǎng)于電解質(zhì)膜 60沿Z方向的長(zhǎng)度時(shí)，催化劑凹入部分71b不從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔45的 位置連續(xù)延伸到對(duì)應(yīng)于氣體排放孔46的位置，這不像第一實(shí)施方式。因 此，陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82不從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔45的位置連續(xù)延伸到對(duì) 應(yīng)于氣體排放孔46的位置。
下面將描述第五實(shí)施方式。圖11示出了第五實(shí)施方式中的篩子。第 五實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同之處在于，篩子中透過(guò)性是不均一的； 并且在(圖l的流程圖所示的)歩驟S110中，在不使用掩模Ml的情況下 沉積催化劑粉末。第五實(shí)施方式中的構(gòu)造的其它部分與第一實(shí)施方式的相 同。
更具體地，第五實(shí)施方式中的篩子S2包括具有較低透過(guò)性的低透過(guò) 性部分15和具有較高透過(guò)性的高透過(guò)性部分16。高透過(guò)性部分16被布置 在對(duì)應(yīng)于掩模M1 (圖3)的孔隙12的位置的位置處。低透過(guò)性部分15被 布置在對(duì)應(yīng)于掩模Ml中的掩蔽部分11的位置的位置處。利用具有這樣的 構(gòu)造的篩子S2，在(圖1的流程圖所示的)歩驟S110中，可以在不使用 掩模M1的情況下將催化劑粉末沉積在電解質(zhì)膜60上。就是說(shuō)，當(dāng)催化劑 粉末300通過(guò)篩子S2降落在電解質(zhì)膜60上時(shí)，通過(guò)單位面積的低透過(guò)性 部分15降落的催化劑粉末的量小于通過(guò)單位面積的高透過(guò)性部分16降落 的催化劑粉末的量。因此，可以形成不平整的催化劑層，如圖4B所示。
篩子S2可以認(rèn)為是根據(jù)本發(fā)明的篩子。
下面將描述其中應(yīng)用本發(fā)明的第一實(shí)施方式的實(shí)施例。根據(jù)圖1所示
的過(guò)程制造MEA 90，并且利用MEA 90制造燃料電池700。
在(圖1的流程圖中的)步驟S105中，擔(dān)載鉑的碳(鉑50wt%)和 用作電解質(zhì)的NafionTM被添加到混合容器400 (如圖2所示)中的水和乙 醇的混合溶劑中，通過(guò)將擔(dān)載鉑的碳和Nafion添加到混合溶劑中獲得的溶 液被攪拌，以制造催化劑漿料200。在此工藝中，材料被混合，以制造具
有如下組成的催化劑漿料200:擔(dān)載鉑的碳4.0wtn/。；電解質(zhì)2.0 Wt%;水
47.0 wt%;以及乙醇47.0 wt%。然后，根據(jù)下面的噴霧條件對(duì)催化劑漿料 200進(jìn)行噴霧干燥來(lái)制造催化劑粉末300:噴霧壓力為O.lMPa (噴霧壓力 表示當(dāng)催化劑漿料200被從霧化器414噴霧到腔412中時(shí)所使用的壓 力)；噴霧溫度(在空氣入口處)為80°C (噴霧溫度(在空氣入口處)表 示當(dāng)干燥空氣被供應(yīng)到腔412時(shí)，用于干燥經(jīng)噴霧的催化劑漿料200的干 燥空氣的溫度)；干燥空氣的流率為0.5 m3/min;供應(yīng)到霧化器414的催 化劑漿料200的流率為10 ml/min。這樣制造的催化劑粉末300的平均粒子 直徑為約2到3 ym。
在(圖1的流程圖中的)步驟S110中，首先利用篩子Sl沉積催化劑 粉末300，使得鉑含量為0.40 mg/cm2。接著，通過(guò)使催化劑粉末300降落 穿過(guò)篩子S1和掩模M1，來(lái)沉積催化劑粉末300，使得在催化劑凸起部分 71a處的鉑含量為0.60 mg/cm2。催化劑凸起部分71a的尺寸(即，催化劑 凸起部分71a在催化劑凸起部分71a自層72a的高度的一半處的面積)為 約1000um2。催化劑凸起部分71a的厚度(即，催化劑凸起部分71a自電 解質(zhì)膜60的高度)為約15um。催化劑凹入部分71b的厚度為約10 u m。
在(圖1的流程圖中的)步驟S115中，利用輥壓機(jī)根據(jù)如下的壓制 條件執(zhí)行熱壓以形成MEA 90:溫度為13(TC;壓力為30 kgf/cm2;輥的運(yùn) 動(dòng)速度為10 m/min。
圖12示出了在本發(fā)明實(shí)施例中制造的燃料電池700的I-V特性 ("I"表示電流密度，"V"表示電壓)以及在對(duì)比例中制造的燃料電池
的I-V特性。在對(duì)比例中的燃料電池(沒(méi)有示出)中，催化劑層的形狀和 氣體擴(kuò)散層的形狀不同于實(shí)施例中的燃料電池700的催化劑層的形狀和氣 體擴(kuò)散層的形狀。對(duì)比例中的燃料電池的構(gòu)造的其它部分與實(shí)施例中的燃 料電池的構(gòu)造的相同。更具體地，在對(duì)比例中的燃料電池中，陽(yáng)極側(cè)催化 劑層和陰極側(cè)催化劑層都具有均一的厚度。因此，陽(yáng)極側(cè)氣體擴(kuò)散層具有 自陽(yáng)極側(cè)氣體擴(kuò)散層的與陽(yáng)極側(cè)催化劑層接觸的表面到相對(duì)的另一表面的 均一厚度。陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層具有自陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層的與陰極側(cè)催化劑 層接觸的表面到相對(duì)的另一表面的均一厚度。對(duì)比例中的催化劑層中所包 含的催化劑(鉑)的重量與實(shí)施例中的相同。在實(shí)際的燃料電池700中，
多個(gè)MEA板50和多個(gè)分離器40被層疊。但是，在實(shí)施例和對(duì)比例中的 每一個(gè)中，利用其中一個(gè)MEA板50被布置在兩個(gè)分離器40之間的燃料 電池(單電池)獲得I-V特性。
在圖12所示的情形中，通過(guò)在如下的條件下運(yùn)行在實(shí)施例和對(duì)比例 中制造的燃料電池獲得I-V特性陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體(氫氣)的流率為 500 ncc/min;陰極側(cè)的氧化氣體(空氣)的流率為1000 ncc/min;電池溫 度為80°C;在陰極側(cè)和陰極側(cè)中的每一側(cè)鼓泡器溫度為6(TC;并且在陰 極側(cè)和陰極側(cè)中的每一側(cè)背壓為0.05 MPa。如圖12所示，在相同的電流 密度下，實(shí)施例中的燃料電池700的電壓值高于對(duì)比例中的燃料電池的電 壓值。此結(jié)果表明，實(shí)施例中的燃料電池700的發(fā)電性能高于對(duì)比例中的 燃料電池的發(fā)電性能。如下原因被認(rèn)為導(dǎo)致得到該結(jié)果。因?yàn)樾纬刹黄秸?的催化劑層，所以催化劑層接觸氣體擴(kuò)散層的面積增大。并且，除了形成 不平整的催化劑層之外，氣體擴(kuò)散層被形成為在催化劑層和氣體擴(kuò)散層之 間的邊界附近的位置處所取的MEA 90的截面中，從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔的 位置連續(xù)延伸到對(duì)應(yīng)于氣體排放孔的位置。因此，反應(yīng)氣體擴(kuò)散到整個(gè) MEA 90中。
應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例和實(shí)施方式，本發(fā)明可以在本 發(fā)明的范圍內(nèi)以各種方式實(shí)施。例如，如下所述的修改被包括在本發(fā)明的 范圍中。
下面將描述修改實(shí)施例1。在每一個(gè)上述實(shí)施方式中，陰極側(cè)催化劑
層72通過(guò)將催化劑粉末300沉積在電解質(zhì)膜60上來(lái)形成。然而，也可以 通過(guò)將催化劑粉末300沉積在陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層82上來(lái)形成陰極側(cè)催化 劑層72。而且，陰極側(cè)催化劑層72可以通過(guò)如下方式形成將催化劑粉 末300沉積在電解質(zhì)膜60上以及沉積在陰極氣體擴(kuò)散層82上，然后執(zhí)行 熱壓。陽(yáng)極側(cè)催化劑層可以以相同的方式形成。就是說(shuō)，在根據(jù)本發(fā)明的 MEA制造方法中，可以采用如下的工藝通過(guò)將催化劑粉末沉積在電解 質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散層中的至少之一上來(lái)形成催化劑層。
下面將描述修改實(shí)施例2。在每一個(gè)上述實(shí)施方式中，催化劑粉末 300通過(guò)靜電過(guò)篩沉積在電解質(zhì)膜60上。但是，也可以采用任何其它沉積 方法來(lái)代替此方法。例如，催化劑粉末300可以利用噴涂方法來(lái)沉積，在 噴涂方法中，催化劑粉末300通過(guò)噴槍噴涂在電解質(zhì)膜60上。或者，催 化劑粉末300可以利用電子照相法沉積在電解質(zhì)膜60上。在電子照相法 中，充電的催化劑粉末300被靜電附著到按照預(yù)定圖案充電的光電導(dǎo)體鼓 上，附著在光電導(dǎo)體鼓上的催化劑粉末300被轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)膜60上。換 句話說(shuō)，任何沉積方法可以用作根據(jù)本發(fā)明的MEA制造方法的一部分， 只要催化劑粉末300能被沉積在電解質(zhì)膜60上。
雖然參考本發(fā)明的示例性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本 發(fā)明不限于這些示例性實(shí)施方式或結(jié)構(gòu)。另一方面，本發(fā)明意在覆蓋各種 修改和等同布置。此外，雖然以作為示例的各種組合和構(gòu)造示出了所公開 的發(fā)明的各種元件，但是包括更多、更少或僅僅一個(gè)元件在內(nèi)的其它組合 和構(gòu)造也落入所附權(quán)利要求的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種制造燃料電池用膜電極組件(90)的方法，在所述膜電極組件(90)中，催化劑層(72)被布置在電解質(zhì)膜(60)和氣體擴(kuò)散層(82)之間，所述方法的特征在于包括制造用于形成所述催化劑層的催化劑粉末(300)；并且通過(guò)將所述催化劑粉末不均勻地沉積在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少一者上，來(lái)形成所述催化劑層。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池包括氣體供應(yīng)孔(45)和氣體排放孔(46)，供應(yīng)到所 述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔(45)經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供 應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò) 散層通過(guò)所述氣體排放孔(46)排放；所述催化劑層被形成為在所述催化劑層的垂直于沉積所述催化劑粉末 的沉積方向的平面視圖中，所述催化劑層的靠近所述氣體排放孔的氣體排 放側(cè)區(qū)域中的單位面積內(nèi)的凹入部分(71b)的比例大于所述催化劑層的 靠近所述氣體供應(yīng)孔的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域中的單位面積內(nèi)的所述凹入部分(71b)的比例；并且所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述催化劑層中的所 述催化劑粉末的平均沉積量。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的方法，其中所述催化劑層通過(guò)如下方式形成沉積所述催化劑粉末，使得所述催 化劑層的凹入部分從對(duì)應(yīng)于氣體供應(yīng)孔的位置連續(xù)延伸到對(duì)應(yīng)于氣體排放 孔的位置，其中，供應(yīng)到所述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng) 由所述氣體擴(kuò)散層供應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層通過(guò)所述氣體排放孔排放；并且所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述催化劑層中的所 述催化劑粉末的平均沉積量。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中 通過(guò)利用供所述催化劑粉末通過(guò)的篩子(S2)沉積所述催化劑粉末來(lái) 形成所述催化劑層；所述篩子包括供所述催化劑粉末通過(guò)的粉末通過(guò)區(qū)域，所述粉末通過(guò)區(qū)域包括具有預(yù)定透過(guò)性的高透過(guò)性部分(16)以及低透過(guò)性部分 (15)，所述低透過(guò)性部分(15)的透過(guò)性低于所述高透過(guò)性部分的所述 透過(guò)性；通過(guò)己經(jīng)通過(guò)所述低透過(guò)性部分的所述催化劑粉末來(lái)形成所述催化劑 層的凹入部分；并且所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述催化劑層中的所 述催化劑粉末的平均沉積量。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述燃料電池包括氣體供應(yīng)孔(45)和氣體排放孔(46)，供應(yīng)到所 述燃料電池的反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔(45)經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供 應(yīng)到所述催化劑層，從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò) 散層通過(guò)所述氣體排放孔(46)排放；所述催化劑層利用掩模(Mla)形成，所述掩模(Mla)包括多個(gè)供 所述催化劑粉末通過(guò)的孔隙(12);以使得孔隙率從所述掩模的一端到所述掩模的另一端降低的方式來(lái)布 置所述孔隙；所述掩模的所述一端布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中至少一 者的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域的上方，將靠近所述氣體供應(yīng)孔來(lái)布置所述氣體供應(yīng)戶^述掩模的所述另 一端布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中所述 至少一者的氣體排放側(cè)區(qū)域的上方，將靠近所述氣體排放孔來(lái)布置所述氣 體排放側(cè)區(qū)域；通過(guò)已經(jīng)通過(guò)所述孔隙的所述催化劑粉末來(lái)形成所述催化劑層的凸起 部分(71a);并且每一個(gè)所述凸起部分中的所述催化劑粉末的沉積量等于或者大于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池包括氣體供應(yīng)孔和氣體排放孔，供應(yīng)到所述燃料電池的 反應(yīng)氣體通過(guò)所述氣體供應(yīng)孔經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層供應(yīng)到所述催化劑層， 從所述催化劑層排放的所述反應(yīng)氣體經(jīng)由所述氣體擴(kuò)散層通過(guò)所述氣體排 放孔排放；所述催化劑層被形成為在所述催化劑層的垂直于沉積所述催化劑粉末 的沉積方向的平面視圖中，在整個(gè)所述催化劑層中單位面積內(nèi)的凹入部分 的比例是均一的，并且在所述催化劑層的靠近所述氣體排放孔的氣體排放 側(cè)區(qū)域中彼此相鄰的凸起部分之間的距離大于在所述催化劑層的靠近所述 氣體供應(yīng)孔的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域中彼此相鄰的所述凸起部分之間的距離；并且所述凹入部分中的所述催化劑粉末的沉積量小于所述催化劑層中的所 述催化劑粉末的平均沉積量，并且每一個(gè)所述凸起部分中的所述催化劑粉 末的所述沉積量等于或者大于所述平均沉積量。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述催化劑層利用掩模(Mlb)形成，所述掩模(Mlb)包括供所述 催化劑粉末通過(guò)的多個(gè)孔隙(112a， 112b， 112c);以使得孔隙率在整個(gè)所述掩模中是均一的并且彼此相鄰的所述孔隙之 間的距離從所述掩模的一端到所述掩模的另一端增大的方式來(lái)布置所述孔 隙；所述掩模的所述一端布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中至少一 者的氣體供應(yīng)側(cè)區(qū)域的上方，將靠近所述氣體供應(yīng)孔來(lái)布置所述氣體供應(yīng) 側(cè)區(qū)域；所述掩模的所述另一端布置在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中所述 至少一者的氣體排放側(cè)區(qū)域的上方，將靠近所述氣體排放孔來(lái)布置所述氣 體排放側(cè)區(qū)域；通過(guò)已經(jīng)通過(guò)所述孔隙的所述催化劑粉末來(lái)形成所述催化劑層的凸起 部分(71a);并且每一個(gè)所述凸起部分中的所述催化劑粉末的沉積量等于或者大于所述 催化劑層中的所述催化劑粉末的平均沉積量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造燃料電池用膜電極組件(90)的方法，在所述膜電極組件(90)中，催化劑層(72)被布置在電解質(zhì)膜(60)和氣體擴(kuò)散層(82)之間，所述方法包括制造用于形成所述催化劑層的催化劑粉末(300)；以及通過(guò)將所述催化劑粉末不均勻地沉積在所述電解質(zhì)膜和所述氣體擴(kuò)散層中的至少之一上，形成所述催化劑層。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101355168SQ20081013474
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者奧村暢夫, 畑中達(dá)也, 相武將典 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社